ХИ́МИЯ ТВЁРДОГО ТЕ́ЛА

ХИ́МИЯ ТВЁРДОГО ТЕ́ЛА (хи­мия твёр­до­го со­стоя­ния, хи­мия ма­те­риа­лов), раз­дел хи­мии, на­прав­лен­ный на раз­ви­тие ме­то­дов син­те­за твёр­дых ве­ществ и ма­те­риа­лов с за­дан­ны­ми кри­стал­лич. струк­ту­рой, мор­фо­ло­ги­ей, фи­зи­ко-хи­мич. и био­ло­гич. свой­ст­ва­ми. Изу­ча­ет строе­ние, хи­мич. и фи­зич. свой­ст­ва твёр­дых тел, про­те­ка­ние хи­мич. ре­ак­ций в них и осо­бен­но взаи­мо­связь ме­ж­ду со­ста­вом, кри­стал­лич. струк­ту­рой, мик­ро­струк­ту­рой и свой­ст­ва­ми твер­до­фаз­ных со­еди­не­ний и ве­ществ. Объ­ек­ты син­те­за и ис­сле­до­ва­ния в Х. т. т. – кри­стал­лич., на­нок­ри­стал­лич. и аморф­ные, не­ор­га­нич. и ор­га­нич. твер­до­фаз­ные ве­ще­ст­ва и ма­те­риа­лы.

Вы­де­ле­ние Х. т. т. в са­мо­сто­ят. нау­ку обу­слов­ле­но по­яв­ле­ни­ем воз­мож­но­стей для син­те­за но­вых твер­до­фаз­ных ма­те­риа­лов, не су­ще­ст­вую­щих в при­ро­де. Х. т. т. изу­ча­ет ус­ло­вия и ме­ха­низ­мы на­прав­лен­но­го по­лу­че­ния твер­до­фаз­ных хи­мич. со­еди­не­ний и их ком­по­зи­тов, их разл. фи­зи­ко-хи­мич. свой­ст­ва, осо­бен­но­сти фор­ми­ро­ва­ния мак­ро- и мик­ро­струк­ту­ры не­ор­га­нич., по­ли­мер­ных и ком­по­зиц. ма­те­риа­лов с за­дан­ны­ми и кон­тро­ли­руе­мы­ми улуч­шен­ны­ми экс­плуа­тац. свой­ст­ва­ми.

Центр. ме­сто в Х. т. т. за­ни­ма­ют пред­став­ле­ния о де­фект­ной струк­ту­ре и не­сте­хио­мет­рии кри­стал­лич. твёр­дых ве­ществ, а так­же осо­бен­но­стях твер­до­фаз­ной атом­ной и ион­ной диф­фу­зии. Имен­но по­это­му ста­нов­ле­ние Х. т. т. про­ис­хо­ди­ло па­рал­лель­но с раз­ви­ти­ем пред­став­ле­ний о де­фек­тах струк­ту­ры, не­сте­хио­мет­рии, упо­ря­до­че­нии и ра­зу­по­ря­до­че­нии и с ис­поль­зо­ва­ни­ем ме­то­дов кри­стал­ло­гра­фии, кри­стал­ло­хи­мии, кван­то­вой хи­мии, мо­ле­ку­ляр­ной ди­на­ми­ки и ком­пь­ю­тер­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния.

Осн. на­уч. за­да­чи Х. т. т.: по­строе­ние фа­зо­вых диа­грамм мно­го­ком­по­нент­ных сис­тем на ос­но­ве дан­ных тер­мич. ана­лиза, ди­фрак­ци­он­ных и тер­мо­ди­на­мич. дан­ных, по­лу­чен­ных при разл. темп-рах и дав­ле­ни­ях; ис­сле­до­ва­ние влия­ния де­фек­тов, не­сте­хио­мет­рии и атом­но­го бес­по­ряд­ка на струк­ту­ру и свой­ст­ва твёр­дых ве­ществ, осо­бен­но ок­си­дов, кар­би­дов, нит­ри­дов и халь­ко­ге­ни­дов со сме­шан­ным ти­пом хи­мич. свя­зи; ана­лиз и по­строе­ние диа­грамм ти­па «со­став – струк­ту­ра – свой­ст­ва», обес­пе­чи­ваю­щих направ­лен­ный син­тез твёр­дых ве­ществ с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми.

Х. т. т. яв­ля­ет­ся ком­плекс­ной меж­дис­ци­п­ли­нар­ной на­уч. дис­ци­п­ли­ной, ле­жащей на сты­ке фи­зич. и не­ор­га­нич. хи­мии, фи­зи­ки твёр­до­го те­ла, кри­стал­ло­хи­мии, хи­мич. тер­мо­ди­на­ми­ки и ма­те­риа­ло­ве­де­ния и ис­поль­зую­щей ме­то­ды этих на­ук. При­ме­ня­ет раз­но­об­раз­ные ме­то­ды по­лу­че­ния ма­те­риа­лов: вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ное спе­ка­ние на воз­ду­хе и в ва­куу­ме, са­мо­рас­про­ст­ра­няю­щий­ся вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ный син­тез, тер­мо­ба­рич. и ме­ха­но­хи­мич. син­тез, плаз­мо­хи­мич. син­тез и зон­ную плав­ку, хи­мич. и фи­зич. оса­ж­де­ние из га­зо­вой фа­зы, золь-гель син­тез, хи­мич. оса­ж­де­ние из рас­тво­ров. Х. т. т. ис­поль­зу­ет все фи­зич. и фи­зи­ко-хи­мич. ме­то­ды изу­че­ния твёр­до­го те­ла (оп­тич. мик­ро­ско­пия, маг­не­то­хи­мия, ка­ло­ри­мет­рия, тер­мо­ана­лиз, спек­тро­ско­пия – ульт­ра­фио­ле­то­вая, ви­ди­мая, ин­фра­крас­ная, ра­ма­нов­ская, рент­ге­нов­ская фо­то­элек­трон­ная, Оже), осо­бое вни­ма­ние уде­ля­ет­ся ис­сле­до­ва­нию кри­стал­лич. струк­ту­ры и мик­ро­струк­ту­ры (рент­ге­нов­ская, ней­трон­ная и элек­трон­ная ди­фрак­ция, диф­фуз­ное и ма­ло­уг­ло­вое рас­сея­ние, ЯМР, по­ля­ри­за­ци­он­ная и флуо­рес­цент­ная оп­тич. мик­ро­ско­пия, элек­трон­ная ска­ни­рую­щая и про­све­чи­ваю­щая мик­ро­ско­пия). Элек­трон­ное строе­ние твёр­дых тел изу­ча­ет­ся с при­ме­не­ни­ем объ­ём­ных и по­верх­но­ст­ных экс­пе­рим. ме­то­дов, с по­мо­щью кван­то­во­хи­мич. рас­чё­тов.

Историческая справка

Ал­хи­мич. дог­ма «те­ло не дея­тель­но, ес­ли оно не жид­кое» бы­ла ру­ко­во­дя­щей ус­та­нов­кой для хи­ми­ков до кон. 19 в. и за­тор­мо­зи­ла ис­сле­до­ва­ния хи­мич. ре­ак­ций в твёр­дом те­ле. Ос­но­вы Х. т. т. за­ло­жи­ли А. Му­ас­сан, впер­вые на­чав­ший ис­сле­до­вать свой­ст­ва твёр­дых ве­ществ при вы­со­кой (до 1000 °C) темп-ре, и Д. К. Чер­нов, ус­та­но­вив­ший связь струк­ту­ры и свойств ста­лей и спла­вов с го­ря­чей ме­ха­нич. и тер­мич. об­ра­бот­кой.

Тер­мин «хи­мия твёр­дых ве­ществ» ввёл в на­уч. прак­ти­ку в 1902 рос. хи­мик Ф. М. Фла­виц­кий, на­блю­дав­ший про­те­ка­ние твер­до­фаз­ных ре­ак­ций при ме­ха­нич. об­ра­бот­ке по­рош­ков. Со­от­вет­ст­вую­щий анг­лоя­зыч­ный тер­мин «so­lid state che­mi­stry» поя­вил­ся в 1928–30. Наи­боль­ший ин­те­рес к про­бле­мам твер­до­фаз­ных взаи­мо­дей­ст­вий и пре­вра­ще­ний в 1900–1920-х гг. про­яви­ли Н. С. Кур­на­ков, нем. хи­ми­ки Г. Там­ман, К. Ту­бандт.

От­кры­тие ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лу­чей (М. Ла­уэ, 1912), при­ме­не­ние кри­стал­ло­гра­фии и соз­да­ние кри­стал­ло­хи­мии (В. Гольд­шмидт, А. В. Шуб­ни­ков, Н. В. Бе­лов), ис­поль­зо­ва­ние фи­зи­ко-хи­мич. ана­ли­за (Н. С. Кур­на­ков) яви­лись важ­ней­ши­ми эта­па­ми ис­то­рич. раз­ви­тия Х. т. т. Важ­ную роль в ста­нов­ле­нии Х. т. т. сыг­ра­ли ра­бо­ты по тео­рии то­чеч­ных де­фек­тов в кри­стал­лах (Я. И. Френ­кель, 1926; В. Шотт­ки и нем. фи­зи­ко­хи­мик К. Ваг­нер, 1930), по за­ви­си­мо­сти ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­сти твёр­дых тел от ти­па и кон­цен­тра­ции де­фек­тов (К. Ваг­нер, 1930–40), по опи­са­нию твер­до­фаз­ных ре­ак­ций и рав­но­ве­сия де­фек­тов с по­мо­щью ква­зи­хи­мич. ме­то­да (ни­дерл. фи­зи­ки Ф. Крё­гер, Х. Винк, 1956–64), по рас­чё­ту рав­но­вес­ных фа­зо­вых диа­грамм упо­ря­до­чи­ваю­щих­ся сис­тем ме­то­дом ва­риа­ции кла­сте­ров (япон. фи­зик Р. Ки­ку­ти, 1951), тер­мо­ди­на­мич. ме­то­да­ми Termo-Calc и CALPHAD (швед. фи­зик Б. Сунд­ман, 1980), ме­то­дом функ­цио­на­ла па­ра­мет­ров по­ряд­ка (рос. фи­зи­ко­хи­ми­ки А. А. Рем­пель и А. И. Гу­сев, 1988). В СССР офиц. оформ­ле­ние Х. т. т. как са­мо­сто­ят. на­уч. дис­ци­п­ли­ны про­ис­хо­ди­ло в 1960–1980-х гг. и свя­за­но с на­уч. дея­тель­но­стью кол­лек­ти­вов, ру­ко­во­ди­мых В. В. Бол­ды­ре­вым, Ю. Д. Треть­я­ко­вым и Г. П. Швей­ки­ным.

Раз­ви­тию Х. т. т. спо­соб­ст­во­ва­ли та­кие от­кры­тые во 2-й пол. 20 в. яв­ле­ния, как вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ная сверх­про­во­ди­мость, су­пер­ион­ная про­во­ди­мость, ги­гант­ское маг­не­то­со­про­тив­ле­ние. При­ме­не­ние ком­пь­ю­тер­ной тех­ни­ки при­ве­ло к по­яв­ле­нию ком­пь­ю­тер­но­го ма­те­риа­ло­ве­де­ния и ком­пь­ю­тер­ной кван­то­вой хи­мии твёр­до­го те­ла.

Практическое значение

Раз­ви­тие Х. т. т. идёт в на­прав­ле­нии соз­да­ния ма­те­риа­лов для био­ло­гии и ме­ди­ци­ны, спо­соб­ст­вую­щих со­хра­не­нию здо­ро­вья и улуч­ше­нию ка­че­ст­ва жиз­ни че­ло­ве­ка. С це­лью эф­фек­тив­ной и энер­го­сбе­ре­гаю­щей пе­ре­ра­бот­ки ми­нер. сы­рья раз­ви­ва­ют­ся ме­то­ды «зе­лё­ной» Х. т. т., при­зван­ные со­хра­нить ок­ру­жаю­щую сре­ду. Для ре­ше­ния про­блем эко­ло­гии раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся фо­то­ка­та­ли­за­то­ры для очи­ст­ки сточ­ных вод и пром. вы­бро­сов в ат­мо­сфе­ру от вред­ных при­ме­сей. Для эко­номии энер­гии и при­род­ных ре­сур­сов раз­ви­ва­ют­ся ме­то­ды син­те­за и ди­зай­на но­вых ис­точ­ни­ков све­та, сол­неч­ных эле­мен­тов, тер­мо­элек­три­ков, фо­то­ка­та­ли­за­то­ров для по­лу­че­ния во­до­ро­да из во­ды, твер­до­ок­сид­ных мем­бран, твёр­дых элек­тро­ли­тов. Од­но из осн. на­прав­ле­ний совр. раз­ви­тия Х. т. т. – пе­ре­ход к син­те­зу, изу­че­нию и при­ме­не­нию твер­до­фаз­ных ве­ществ и ма­те­риа­лов в на­нострук­ту­ри­ров. со­стоя­нии, к соз­да­нию на­но­тех­но­ло­гий, по­зво­ляю­щих по­лу­чать на­но­ст­рук­ту­ри­ров. ма­те­риа­лы с ато­мар­ной точ­но­стью.

Пред­став­ле­ния, раз­ви­вае­мые Х. т. т., на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в син­те­зе и тех­но­ло­гии но­вых не­ор­га­нич. ма­те­риа­лов (кер­ме­тов, ком­по­зи­тов, сверх­про­вод­ни­ков, су­пер­ион­ных про­вод­ни­ков), мик­ро­элек­тро­ни­ке, на­но­элек­тро­ни­ке, фо­то­ни­ке и био­сен­со­ри­ке. Все раз­де­лы Х. т. т., свя­зан­ные с изу­че­ни­ем раз­ных клас­сов хи­мич. со­еди­не­ний и ве­ществ, име­ют ши­ро­кое прак­тич. при­ме­не­ние. Тра­диц. кон­ст­рукц. и функ­цио­наль­ные ма­те­риа­лы, раз­ра­ба­ты­вае­мые с по­мо­щью Х. т. т., пред­на­зна­че­ны для всех от­рас­лей пром-сти; осо­бо твёр­дые и проч­ные, лег­ко­плав­кие и ту­го­плав­кие ма­те­риа­лы вос­тре­бо­ва­ны об­ра­ба­ты­ваю­щей, стро­ит. и элек­трон­ной пром-стью и пром. от­рас­ля­ми, свя­зан­ны­ми с кос­мич. дея­тель­но­стью.

Син­тез и изу­че­ние твер­до­фаз­ных ма­те­риа­лов для ге­те­ро­ген­но­го ка­та­ли­за спо­соб­ст­ву­ют по­яв­ле­нию и раз­ви­тию но­вых хи­мич. тех­но­ло­гий. Ис­сле­до­ва­ния в об­лас­ти твёр­дых элек­тро­ли­тов и су­пер­ион­ных про­вод­ни­ков слу­жат ос­но­вой для раз­ра­бот­ки но­вых ти­пов ак­ку­му­ля­то­ров, сверхъ­ём­ких кон­ден­са­то­ров, то­п­лив­ных эле­мен­тов для во­до­род­ной энер­ге­ти­ки. Соз­да­ние ма­те­риа­лов для тер­мич. па­не­лей и по­лу­про­вод­ни­ко­вых фо­то­элек­трич. пре­об­ра­зо­ва­те­лей на­прав­ле­но на эко­но­мич­ное пре­об­ра­зо­ва­ние сол­неч­ной энер­гии в элек­три­че­ст­во, а при­ме­не­ние но­вых ма­те­риа­лов в све­то­ди­од­ных уст­рой­ст­вах обес­пе­чи­ва­ет эко­но­мию элек­тро­энер­гии. Фор­ми­ро­ва­ние час­тиц за­дан­ных раз­ме­ра и фор­мы са­мых разл. ма­те­риа­лов на­чи­на­ет ак­тив­но ис­поль­зо­вать­ся в та­ких раз­ви­ваю­щих­ся ад­ди­тив­ных тех­но­ло­ги­ях, как 3D-прин­ти­ро­ва­ние и по­слой­ная ру­лон­ная тех­но­ло­гия. Соз­да­ние на­но­струк­ту­ри­ров. ве­ществ и ма­те­риа­лов разл. на­зна­че­ния слу­жит ос­но­вой совр. на­но­элек­тро­ни­ки и фо­то­ни­ки.