Кластеры (от слова cluster- скопление) это небольшие агрегаты атомов, свойства которых занимают промежуточное положение между свойствами отдельных атомов и макроскопических объектов. Кластеры содержат от нескольких десятков тысяч атомов или молекул. Атомы и молекулы объединяются в группы в соответствии с законами квантовой механики, так что кластеры разных размеров могут иметь различную геометрическую конфигурацию. Возникает вопрос о границе кластеров и существования макро и микроструктур. Данные, полученные в Штутгарте ¹, говорят о том, что переходное число атомов между кластерами и макроскопическим твердым веществом составляют 1500 атомов. Когда размер кластеров превышает 1500 атомов, наблюдается резкое изменение способов агрегирования атомов. Другими словами, более малые размеры кластеров определяют свойства жидкости, а большие – свойства твердого тела.

Могут образовываться кластеры, состоящие из любого числа атомов, кластеры некоторых размеров особенно устойчивы (стабильны) и ионизируются с трудом. Такая стабильность соответствует «магическим числам» атомов, составляющих кластер. Подобно инертным газам кластеры с магическими числами ведут себя так, как если бы имели заполненную электронную оболочку, делающие их особенно стабильными².

Физические и химические свойства кластеров существенно отличаются от свойств частиц, размеры которых больше 3∙10^-8 м.

В природе кластеры встречаются в виде аэрозолей и пылевых межзвездных облаков. Устанавливается кластерная природа воды в семи температурных точках ее структурного полиморфизма ³.

Аморфные структуры

Это конденсированные среды, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов в пространстве. Чаще говорят, что в аморфных структурах характерно наличие ближнего атомного порядка – кристаллического порядка только в пределах нескольких межатомных расстояний. Далее наблюдается неупорядоченное распределение атомов.

Эти среды встречаются несравненно чаще и в практическом отношении никак не менее важны, чем монокристаллы, в которых реализуется дальний порядок в расположении атомов.

Например, аморфные металлические материалы (с ближним порядком расположения атомов) нашли применение в качестве барьеров против диффузии, сердечников магнитных головок, различного рода преобразователей и датчиков.

Аэрозоли

Частицы могут образовываться путем дробления тел, диспергирования, либо, наоборот, путем объединения отдельных молекул в состояние конденсации. Могут представлять собой космическую пыль ⁴. Космические частицы аэрозоля (пыли) не сферичны. Размеры их варьируют от 2∙10^-7 до 2,5 ∙10^-5 м, а массы от 3,5∙10^-13 до 1∙10^-6 кг. Частицы состоят из тугоплавкого ядра (кластера) и оболочки из летучих элементов. Химический состав аэрозолей (пылинок) зависит от химического состава газа, из которого они сконденсировались. В атмосферах углеродистых звезд возникают частицы пыли состоящие из графита и карбида кремния, а в атмосферах кислородных звезд – силикатные частицы. В межзвездных облаках за счет галактического круговорота вещества конденсации обрастают летучими компонентами водорода, углерода, азота, кислорода. Периферийная часть межзвездных пылинок состоит обычно из водорода, гидрооксида, кислорода, Промежуточная – состоит из замерзших газов и льда. Внутренняя часть представлена силикатами, самородным метеоритным железом.

Квазикристаллы

До недавнего времени считалось, что в мире кристаллов реализуется только аморфный или кристаллический тип структуры. В 1984 году был обнаружен сплав алюминия с марганцем, который имел ярко выраженную дифракционную картину с симметрией пятого порядка, не встречающуюся в природных кристаллических формах. Это противоречило фундаментальным представлениям классической кристаллографии: такая симметрия физически невозможна для любых кристаллических веществ. Последующие исследования такого состояния вещества показало, что в таких материалах реализуется новый тип порядка некристаллический и не аморфный с симметрией седьмого, восьмого, десятого, двенадцатого и т.д. порядков.

Такие особенности строения кристаллов названы квазикристаллами – это твердые металлические сплавы с дальним порядком, дифракционные картины которых расположены с не кристаллографической симметрией.

Структуру квазикристаллов можно понять на основе математической теории замощения. Замощение – это покрытие всей плоскости или заполнение всего пространства не перекрывающимися фигурами. Структура квазикристаллов в отличие от обычных кристаллов основана на геометрической фигуре икосаэдра – многогранника, имеющего двадцать граней, каждая из которых представляет собой равносторонний треугольник. Но икосаэдры невозможно упаковать так, чтобы они плотно, без зазоров, заполняли все пространство, поэтому они не могут служить элементарными ячейками кристаллов.

Процесс замощения осуществляется по принципу паркета Пенроуза или сети Аммана-Маккея, или с помощью проекционного метода, метода мультигридов.

Квазикристаллы, представляющие собой обычные сплавы, по своим физическим свойствам, отличаются от других металлических структур. Например, в металлических структурах происходит возрастание электросопротивления при возрастании температуры, концентрации примесей, структурных дефектов. Квазикристаллы не представляют собой изоляторы и проводники, но в отличие от металлов их электросопротивление при низких температурах аномально велико, уменьшается с ростом температуры и возрастает по мере увеличения структурного порядка и отжига дефектов. Квазикристаллы обладают и другими особенностями, что делает их весьма привлекательными в различных технологических целях.

Эффект памяти формы

Пластичность металлов известна очень давно и это свойство используется человеком с незапамятных времен.

В подавляющих случаях пластичность осуществляется сдвигом, когда одна часть кристалла проскальзывает по отношению к другой по соприкасающимся атомным плоскостям кристаллической решетки. Расположение атомов в любом месте кристалла до и после сдвига оказываются одинаковыми. Это означает, что пластическая деформация должна быть необратимой, поскольку продукт сдвига остается неотличимым от исходного состояния. После удаления нагрузки накопленная деформация сохраняется.

Кроме пластической деформации может реализоваться механизм известной упругой деформации. Она отличается способностью возвращать деформацию в исходное состояние при снятии внешних воздействий. Под нагрузкой атомы в условиях упругой деформации испытывают некоторое взаимное смещение (удаляются друг от друга, например, при растяжении), обычно в пределах не более 0,1% расстояния между ними. При снятии внешней силы воздействия положения атомов становятся неэквивалентными исходным состояниям и восстанавливают свое положение в структуре. Однако есть еще случай механического двойникования (переориентации кристалла). Он представляет собой как механизм неупругой деформации, родственный, в первом приближении, скольжению. То есть, микроскопически в исходной кристаллической решетке под влиянием сдвига осуществляется перемещение, отвечающему зеркальному отображению верхней части кристалла по отношению к нижней. Макроскопически это выражается изменением формы кристалла. Здесь также не возникает причин для самопроизвольного восстановления деформации при снятии внешнего воздействия на кристалл. Но такая причина может возникнуть, если двойникование происходит внутри среды: в ней из-за стесненности деформации будут генерироваться напряжения, стремящиеся вернуть кристаллу исходную форму. И действительно иногда образовавшиеся двойники самопроизвольно исчезают посредством раздвойникования, то есть, сдвигами в обратном направлении. Двойникованию, например, подвержен кальцит. Деформации двойникованием могут достигать гигантских размеров, в рекордных случаях до 30%. То есть двойникующиеся кристаллы могут демонстрировать упругость почти подобную упругости резины.

Магнитные ( в ферромагнетиках и антиферромагнетиках) и электрические (сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики) переходы в кристаллах можно рассматривать как структурные фазовые превращения, способные осуществлять массоперенос, вызывающий деформацию в кристаллах..

Фазовый переход приводит к полной обратимости деформации, то есть, деформация возникает при прямом и исчезает при обратном фазовом переходе, подобно тепловому расширению – сжатию.

В настоящее время известны сотни веществ, изменяющих свою кристаллическую структуру при так называемых обратимых мартенситных превращениях. В процессе мартенситных превращений атомы не мигрируют далеко по кристаллу, а перемещаются на расстояния, не превышающие межатомные.

Эффект памяти формы ⁵ на основе деформаций открывает широкие возможности использования в части создания плотнейших неразъемных соединений, использовать память формы как свойство инструмента, в медицине, для контроля качества продукции и т.д.

Жидкие кристаллы

Это обычно анизотропные кристаллы, с которыми мы привыкли иметь дело. Они сочетают в себе свойства текучести обычных жидкостей, а потому открыли новые перспективы использовании их как жидкокристаллических соединений. Эти свойства очень широко применяются для создания разнообразных электролитических систем (калькуляторов, электронных часов, миниатюрных плоских экранов телевизоров, дисплеев компьютеров, сотовых телефонов и т.д.), а также имеют большое значение в биологических процессах (функционирование клеточных мембран и ДНК, передача нервных импульсов, работа мышц и др.).

Впервые жидкие кристаллы холестерилбензоата были обнаружены австрийским ботаником Ф. Рейнитцером. Особенность этого соединения заключалась в том, что в определенной области температуры (145 – 178°С) он представлял собой жидкий кристалл с характерными свойствами анизотропии. До температуры 145°С он представлял собой обычный кристалл, а после 178°С – изотропный расплав. С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими образованиями.

Жидкие кристаллы позволяют изучать образование и эволюцию дефектов, очень похожих на те, какие могли возникать на ранних этапах образования вселенной.

Б.Юрк и его коллеги из Bell Laboratories считают, что быстрые фазовые переходы в жидких кристаллах приводят к тесному переплетению дефектов. Сходный процесс должен идти в новорожденной вселенной. По мере того, как она охлаждалась, в ней происходили фазовые переходы с нарушением симметрии, вплоть до образования струн.

Ссылки