КЛАСТЕР

Термин
кластер
Термин на английском
cluster
Синонимы
суператом
Аббревиатуры
Связанные термины
магические кластеры, наночастица, фуллерен, эндоэдральный, матричная изоляция
Определение

(от англ. cluster — рой, скопление) компактная группа связанных друг с другом атомов, молекул или ионов, которая обладает свойствами, отличными от свойств составляющих ее элементов.

Описание

Под кластерами в разных областях знания понимают весьма различные объекты. В ядерной физике кластерами называют коррелированные группы элементарных частиц. В информационных технологиях кластер - единица хранения данных на дисках компьютеров. В химии и материаловедении под кластерами чаще всего имеют в виду одно из промежуточных по размерам состояний вещества между атомом (молекулой, ионом) и твёрдым телом (наночастицей).

Согласно последней точке зрения, кластер представляет собой группу из небольшого (счетного) и, в общем случае, переменного числа взаимодействующих атомов, ионов или молекул. В зависимости от типа объединяемых частиц кластеры подразделяют на атомные, ионные и молекулярные; в зависимости от состава - на металлические, углеродные и т.д. Минимальное число атомов в кластере равно двум (по другим данным - трем). Верхнюю размерную границу кластера можно рассматривать как границу между кластером и изолированной наночастицей; ей отвечает переход от дискретного электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к зонному электронному энергетическому спектру, характерному для твердого тела. Предельным для кластера можно считать такое число атомов, при котором добавление еще одного элемента уже не меняет свойства кластера; в химии это обычно наблюдается, когда число атомов в группе не превышает одной-двух тысяч.Отличительная особенность кластеров - немонотонная зависимость их свойств от числа атомов в кластере.

Основные методы получения кластеров основаны на испарении металлов, сплавов и бинарных соединений с использованием термического, плазменного, электронно-лучевого и лазерного испарения с последующей конденсацией. Основным требованием к условиям конденсации является обеспечение высокой скорости зародышеобразования при минимальной скорости роста образующихся частиц, что может быть реализовано при максимальной скорости охлаждения конденсируемых паров (сверхзвуковое истечение пара металла в вакуум, испарение в разреженной атмосфере инертного газа и пр.). При синтезе и исследовании кластеров активно используется метод низкотемпературной матричной изоляции (см. также статью криохимия). Существование кластеров возможно и в газовой фазе; строение и состав кластеров при этом могут заметно отличаться от свойств кластеров в конденсированном состоянии. Для исследования процессов кластерообразования в этом случае активно используется масс-спектрометрия и различные спектроскопические методы анализа газовой фазы.

Наряду с существованием кластерных частиц металлов и сплавов, существуют также кластерные соединения, часто именуемые кластерами, в которых металлическое ядро стабилизировано лигандами, иногда весьма сложного химического состава. Молекулы таких соединений содержат окруженный лигандами остов из атомов металлов, находящихся на расстояниях до 0,35 нм, допускающих прямое взаимодействие металл-металл. По числу атомов металла, образующих остов кластерного соединения, – нуклеарности (q) – кластеры делят на малые (q = 3-12), средние (q = 13-40), крупные (q=41-100) и сверхкрупные, "гигантские" (q>100).

Кластерные соединения характерны как для переходных металлов, так и для многих непереходных элементов. Известны гомометаллические кластеры, остов которых состоит из атомов одного металла, и гетерометаллические кластеры, содержащие в остове атомы двух, трех и более металлов. Металлический остов в молекулах кластеров покрыт плотным слоем лигандов, как концевых, так и мостиковых. Лигандами могут быть как отдельные атомы (Н, Cl, Br, I, Se и др.), так и группы атомов или молекулы (СО, NO, олефины, арены и др.). Иногда моноатомные лиганды (N, С, Н, Р и др.) расположены внутри полостей металлического остова, имеющего с внешней стороны другие лиганды.

К наиболее известным кластерам относятся упомянутые выше стабилизированные лигандами металлические кластеры MnLm (L – молекула лиганда), коллоидные кластеры, фуллерены Cn (n = 20-540), эндоэдральные фуллерены [email protected]n (M – металл, n = 28, 60-84), экзоэдральные фуллерены, например, C60Xn (X = H, I, Br, F, CF3 n = 2-48) , металлокарбогедрены или меткары M8C12 (M - переходный металл: Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo и Fe).

Авторы
  • Гусев Александр Иванович, д.ф.-м.н.
  • Гольдт Илья Валерьевич, к.х.н.
  • Шляхтин Олег Александрович, к.х.н.
Ссылки
  1. С.П. Губин, Кластеры; Химическая энциклопедия, М. Советская энциклопедия, 1988; http://slovar.plib.ru/dictionary/d37/2595.html
  2. А. И. Гусев, Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М., Наука-Физматлит, 2007. - 416 с.
  3. A.I. Gusev A.A. Rempel, Nanocrystalline Materials. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 351 p.
Иллюстрации
Молекулярный кластер Ti8C­12 с додекаэдрической структурой

Молекулярный кластер Ti812 с додекаэдрической структурой


Теги
Разделы
Искусственные (синтетические) низкоразмерные объекты
(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)


Энциклопедический словарь нанотехнологий 

DLL →← DLL

T: 0.161928727 M: 3 D: 3