Министерство  образования и науки, молодежи и  спорта Украины

Одесская  государственная академия строительства  и архитектуры

Кафедра физики 
 
 

Реферат

по дисциплине «Физическое материаловедение»

на тему: «Кластеры в химии, физике, биологии, материаловедении» 
 
 
 

Выполнила: ст.гр.КПГС-501м

Оранская  Б.А.

Проверил: Герега А.Н. 
 
 

Одесса  – 2011 г

    Под кластерами в разных областях знания понимают весьма различные объекты.

    Кластеры  в химии.

    Определение.

    Кластер - (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.

    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(ступенчатое изменение частот) 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).

    Рис.1 Кластерные соединения металлов (показаны только остовы кластеров).

    Кластерные  соединения характерны как для переходных металлов, так и  для многих непереходных элементов(элементы главных подгрупп таблицы Менделеева). 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. [Лиганды (от лат. ligo - связываю), нейтральные молекулы, ионы или радикалы, связанные с центральным атомом комплексного соединения.] 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  стабилизированные лигандами металлические кластеры MnLm (L – молекула лиганда), коллоидные кластеры, фуллерены Cn (n = 20-540), эндоэдральные фуллерены M@Cn (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).

    Рис.2 Молекулярный кластер Ti8C12 со структурой додекаэдра. Синим обозначены атомы титана, красным - атомы углерода.

    Распространенность, а следовательно, значимость кластеров существенно больше, чем представлялось до недавнего времени. Так, было экспериментально обнаружено (по рассеянию холодных нейтронов и рентгеновского излучения), что жидкий аммиак кластеризован: он состоит из кластеров (NH3)7 - одна молекула в центре, остальные на периферии. Хорошо известна кластерная структура жидкой воды: молекулы воды объединяются в гекса-, пента- и тетрамеры с близкими по энергии структурами типа призмы, клетки, "раскрытой книги", адамантада, а также в додекаэдры и другие крупные кластеры. Жидкие растворы этанола в воде также неоднородны; они составлены из кластеров воды и спирта. Примечательно, что при содержании спирта в воде ~40% доли кластеров воды и спирта сравниваются; возможно, что именно с этим обстоятельством связаны особые рецепторно-вкусовые качества известного и популярного водно-спиртового напитка. В жидком бензоле также обнаружены признаки кластеризации. Возможно, что это общее явление, и тогда все жидкофазные реакции следует трактовать как реакции в микрореакторах. 

            Кластеры в биологии и физике.

           Нанотехнологии - это процессы, в которых простые биологические молекулы методом самосборки организовывают себя в цельные структуры, представляющие собой гораздо более сложное строение. В значительной степени, нанотехнология стремится подражать естественному миру, где миллионы лет эволюции работали над тем, чтобы развить эффективность (КПД) на максимуме, при одновременном уменьшении затрат энергии.

            Nannos ("нано") в переводе с греческого означает "карлик". Отсюда и единицы измерения, пришедшие к нам из мира карликов, - нанометр (10-9 м). Сама же идея "карликовых технологий" родилась в 1959 году в голове известного физика, нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана.

             Нанотехнологиям пророчат будущее во всех областях науки: электронике, биологии, медицине, химии, сельском хозяйстве и т. д.

             Известно, что биологические системы саморегулируют свою работу, т. е. способны перестраиваться в зависимости от внешних воздействий так, чтобы сохранить оптимальный уровень их функционирования. Более того, сложные биологические системы (к которым относится и организм человека) могут существовать и эволюционировать только на основе саморегулирования. Это означает, что в работу организма человека допустимо искусственно вмешиваться только в случае крайней необходимости, например, при угрозе жизни. Любое искусственное вмешательство в работу организма ведёт к ухудшению здоровья, иначе и быть не может. Если этого не понимать, то естественным состоянием организма будет не здоровье, а болезни.

           "В последние десятилетия в физике, биологии, психологии и в других областях научного знания сделаны открытия, которые заставляют в очередной раз переосмыслить огромное количество новых, фундаментальных данных, которые, зачастую не воспринимаются многими учёными, особенно установившейся традиционной школы. Под защитой барьера междисциплинарных границ природа хранит основную, важную часть своих секретов. Например, переходы (границы) от атома к молекуле, от молекулы к полимерным биологическим структурам. Понять принцип перехода - значит найти общий закон разделённого ныне понятия взаимодействия. Для дальнейшего развития науки нужны новые знания о тонком мире. Эти знания официальной медициной не поддерживались и не пропагандировались. Только врачи, учёные-практики, творческие исследователи прикладной науки о природе видели и чувствовали это направление".

             Атомная физика как наука возникла и в значительной степени сформировалась в первой половине XX столетия. К объектам атомной физики относят атомные частицы (атомы, ионы и молекулы). Атомная физика как наука не стоит на месте. Однако в учебниках по-прежнему, внимание уделяется только описанию свойств атомов, ионов и молекул, и практически не рассматриваются многозарядный, отрицательный и комплексный ион, кластерные частицы и некоторые другие объекты, играющие существенную роль в физической картине мира.

            В обычном состоянии атомы или молекулы в макроскопических количествах образуют вещества в конденсированном состоянии, которое бывает жидким или твердым. Значения таких параметров как кристаллическое строение, температура плавления и кипения, удельная электропроводность, спектры излучения и поглощения и т.п. характеризующих свойства вещества в конденсированном состоянии, не зависят от его количества. Объекты являющиеся промежуточным звеном между молекулярным и конденсированным состоянием материи, называют кластерами, которые обладают рядом специфических физико-химических свойств, в том числе уровнем энергии отличной от минимальной. Свойства изолированных кластеров отличаются от свойств кластеров, образующих наносистемы. В связи с этим методы синтеза нанокластеров и наноструктур играют важную роль при формировании их свойств. Нанометровый (10 -9 м) диапазон измерений открывает мир новых свойств веществ. По сравнению с обычным состоянием вещества изменяются параметры его кристаллической решетки, атомная динамика, тепловые, электронные и магнитные свойства. Все эти эффекты носят размерный характер и сильно зависят от состояния поверхности нанокластера, межкластерных взаимодействий и взаимодействий кластера с матрицей. В связи с этим методы синтеза нанокластеров и наноструктур играют важную роль при формировании их свойств.

             В неживой природе кластеры - большая редкость, их в основном можно получить только искусственным способом, подвергая различные материалы воздействию концентрированного источника энергии, в качестве которого удобно использовать либо лазерный луч, либо пучок заряженных частиц (электронов, ионов) высокой энергии. Собственно изучение кластеров началось с неживой природы, и только затем учёные обратили внимание на то, что в живой природе кластеры имеют весьма широкое распространение. Более того - без кластерной организации биологических материалов жизнь вообще не могла бы существовать. Как известно, биологические вещества (в отличие от материалов в неживой природе) не обладают высокой стабильностью и легко разрушаются, если не объединены в кластерные структуры. Таким образом, в живой природе объединение биологических веществ в кластеры играет роль стабилизирующего фактора.

           Интерес к необычным свойствам кластеров не ограничивался чисто фундаментальными исследованиями, и постепенно трансформировался в кластерные технологии для получения, например, кластерных источников света, фрактальных кластеров, колебательно-возбуждённых молекул и пр. Исследования в области нанокластеров лежат в основе создания новых технологий ХХI века - нанотехнологий, самые передовые из которых будут в значительной степени подражать миру живой природы, достигшему за миллионы лет эволюции высокой эффективности самоорганизации, самовоспроизводства и использования биологически активных веществ при одновременном уменьшении затрат энергии.

            Нанотехнологии уже находят применение в производстве средств для оздоровления организма, например, хлорофилл-комплекса растительных веществ "GL-Грин Лайт". 

    Кластеры  в материаловедении.

    Кластером в физике часто называют систему  связанных атомов или

молекул. Кластерные структуры возникают при «слипании» молекул в

процессе конденсации жидкости, при коагуляции твердых частиц. Такие

структуры являются переходными к макроскопической среде. Свойства

вещества в  таком состоянии качественно  отличаются как от свойств

отдельных составляющих кластер атомов, так и от макроскопической

среды. Иногда кластером  называют систему связанных мелкодисперсных

частиц или  пор (трещин) в твердом теле.

    Представление о кластерах в материаловедении основано на понятии их фрактальной структуры. Такие кластеры обладают следующими свойствами: экстенсивной плотностью[Экстенсивная величина – величина, значение которой зависит от  ее размеров], большой удельной поверхностью, а также характеристикой, называемой «магические числа».

    Сравнение экспериментально измеренных масс атомных  ядер с результатами расчетов по формуле  Вайцзеккера показывает, что наблюдаются систематические различия между экспериментальными данными и результатами теоретических расчетов, обусловленные оболочечной структурой атомных ядер. Оказалось, что в атомных ядрах также как и в атомах есть оболочки. Ядра, имеющие полностью заполненные оболочки, связаны более сильно по сравнению со своими соседями. Числа нейтронов или протонов, соответствующие заполненным оболочкам, были названы магическими числами. Это числа :

    2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126.

       Первые шесть чисел одинаковы  для нейтронов и протонов. Число  126 соответствует заполненной нейтронной  оболочке. Эти магические числа  были получены для ядер вблизи  долины стабильности.

         В том случае, когда число нейтронов  N или число протонов Z равно одному  из магических чисел, ядро называется  магическим. В том случае, когда  и N  и Z равно магическому  числу, ядра являются дважды  магическими. Ядра 4He, 16O, 40Ca являются  самосопряженными магическими ядрами.

Фрактальная размерность кластеров

     При рассмотрении реальных физических систем, диаметр  покрывающего множества (шаг для  масштаба) r ® 0, но все же обладает конечным размером r₀ (радиус частицы, молекулы, атома). Математическая линия заменяется цепочкой молекул длиной L = 2R, число частиц в цепи .

      Круглый диск радиуса R содержит частиц, сфера —  частиц. Эти соотношения применимы только в пределе, ибо круг, сфера заполнены частицами приближенно (имеются пустоты). 

      Если размер кластера оценивать  по радиусу R наименьшей сферы, содержащей его внутри себя, то соотношение между числом частиц и размером кластера будет , .

    Следует особо подчеркнуть, что если кластер  пористый или случайный, то это само по себе еще не означает, что он фрактальный. Фрактальный кластер отличается тем свойством, что с ростом размеров его плотность убывает по степенному закону

     ,           (4)     

где  — плотность материала частиц кластера;  —средний радиус частиц; d — евклидова размерность пространства.

    Зависимость (4) означает, что с ростом выделенного  объема кластера R, в нем будут возникать пустоты все большего размера, это, в свою очередь, приведет к уменьшению относительного объема, занятого веществом. Плотность фрактального кластера убывает с ростом расстояния от начала (центра).

    Ясно  также, что в реальном образце  материала фрактальность структуры  будет проявляться при размерах .  — граничный размер (может быть найден из (4)). На расстояниях фрактальность структуры не чувствуется и материал можно считать в среднем однородным.

    Существует  тесная связь между теорией перколяции и теорией фракталов. Вблизи критической точки x_c, систему можно рассматривать как фрактальную, самоподобную на масштабах < r < x, x— радиус корреляции (x² — среднее квадратов расстояний между занятыми узлами, где R характеризует наибольшее из этих расстояний).

    Перколяционные кластеры относятся к классу фрактальных кластеров. Фрактальная размерность перколяционного кластера может быть выражена через критические индексы b и n. Мощность перколяционного кластера, т. е. доля узлов или объема, принадлежащих кластеру, и есть, собственно, плотность кластера. При изменении радиуса корреляции x, т. е. концентрации x, эта плотность в соответствии с P ~ (Р — мощность перколяционного кластера) и x ~ (из пункта «Перколяция»), меняется как   ~                (5)

В соответствии с (4), плотность фрактального кластера изменяется по закону     ~  .     (6)

    Приравняв правые части (5) и (6), получим выражение  для определения фрактальной  размерности перколяционного кластера   .                      (7)

    Фрактальная размерность перколяционного кластера для двумерного пространства: D(2) = 1.90, а для трехмерного D(3) = 2.54.  

    Перколяция - проникновение, проницание, протекание. Теория перколяции описывает возникновение бесконечно связных структур (кластеров), состоящих из отдельных элементов. Представьте пористый материал, через который просачивается жидкость. Пройдёт ли жидкость с одного края материала до другого, зависит от плотности материала, количества хаотично, но статистически равномерно расположенных стенок и лакун. Выше какого-то уровня плотности жидкость будет просачиваться на большее или меньшее расстояние внутрь материала, хаотически расположенные стенки статистически могут образовывать замкнутые полости разного размера. Но весь кластер ещё не будет связан (рис. 3). Любые полости будут замкнуты. Жидкость не просочится сквозь материал. Ниже определённого критического значения плотности весь кластер оказывается связан, лакуны сливаются в одно целое, и кластер становится проницаем (рис. 4). Это значение плотности, после которой кластер становится проницаем, называется порогом перколяции. Говорят, что происходит перколяционный переход. Теория перколяции важна именно в окрестности перехода, перколяционный переход аналогичен фазовому переходу второго рода. Незначительная перестройка, требующая минимума энергии, сделает перколяционный кластер проницаемым в определённом направлении для каких-либо потоков материи, энергии или информации, обратная перестройка изолирует систему. Перколяционный кластер - хаотичный фрактал. Такие характеристики, как фрактальная размерность, лакунарность могут использоваться для описания свойств кластера. 

Список  литературы и источников:

1.     "Кластеры: получение и реакционная способность" Смирнов В.В., Тюрина Л.А., 2002г

2.     "Нанотехнологня: физико-химия нанокластеров" Суздалев Игорь Петрович, 2006г.

3.         Ю.А. Каретин. Синергетика. Курс лекций для биологов.

4.       http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article947

5.           http://www.aurastudia.ru/stat/27.html