Можно в лаборатории искусственно создать отдельные группы атомов элементов таблицы Менделеева? Физико-технические характеристики таких групп атомов образуют новую фазу вещества, отличную как от твердого тела, так и от жидкостей и газов. Их принято называть микрокластерами.

Микрокластеры представляют собой мельчайшие агрегаты, включающие от двух до нескольких сотен атомов. При их исследовании возникают вопросы, находящиеся в центре физики и химии твердого тела, а также связанного с ними материаловедения.

В частности: насколько малым должен быть агрегат частиц, чтобы у него отсутствовали свойства исходного вещества? Как может измениться конфигурация атомов при отсутствии влияния окружающего их вещества? Если вещество - металл, то насколько малым должен быть кластер из его атомов, чтобы исчезла характерная миграция свободных электронов, обуславливающая электропроводность? При каком числе атомов происходят фазовые превращения, несущие новые качественные изменения?

Многие свойства микрокластеров определяются тем, что они состоят главным образом из поверхностных атомов. У плотно упакованного кластера из 20 атомов только один атом находится внутри объема, у кластера из 100 атомов - не более 20.

Другие свойства кластеров обусловлены тем, что у поверхностных атомов имеются свободные валентные связи, которые устроены так, что приводят к чрезвычайной реакционной способности. Благодаря такой способности кластеры уже в настоящее время можно использовать для исследования твердых тел и в недалеком будущем применять в технологических процессах, связанных с выращиванием кристаллов, проведением селективных каталитических превращений и получением совершенно новых материалов с искусственно упорядоченными электронными, магнитными и оптическими свойствами. Подобные материалы, в свою очередь, способны улучшить характеристики таких различных устройств и изделий как лазеры, фотоматериалы, люминофоры, магнитные диски, полупроводники на основе сверхструктур.

Процесс получения и образования микрокластеров начинается тогда, когда в результате теплового воздействия происходит испарение атомов металла в чрезвычайно горячую плазму. Поток гелия, заполняющий канал, охлаждает пары настолько, что они конденсируются и образуют кластеры различных размеров. Гелий выносит кластеры в вакуумную камеру, где перепад давления вызывает расширение струи со сверхзвуковой скоростью. При столкновениях атомов, происходящих во время расширения, образуются кластеры, удерживаемые вандер-ваальсовыми силами, которые охлаждаются до сверхнизких температур. Кластеры сохраняют стабильность, и их можно дальше исследовать. Центральная часть струи проходит через сопло, и формируемый нейтральный пучок облучают лучом ультрафиолетового лазера, энергия которого достаточна для отрыва электронов от кластеров. В результате кластеры приобретают положительный заряд, и их можно ускорить в электрическом поле. Далее кластеры попадают во времяпролетный масс-спектрометр. Распределение частиц по массам демонстрирует максимумы, которые соответствуют наиболее стабильным конфигурациям. Причем числа атомов в этих конфигурациях соответствуют магическим числам по аналогии с квантовой моделью атомных ядер. Как известно, ядерные оболочки могут существовать только при строго определенных сочетаниях протонов и нейтронов.

Таким образом, уникальные прикладные и материаловедческие свойства микрокластеров очевидны. Дальнейший прогресс будет сильно зависеть от того, сможем ли мы систематически изучать их. Прежде всего необходимо установить связь отдельных кластеров и размеров частиц с химической активностью. Затем можно будет выбрать соответствующие кластеры, нанести их на подходящие подложки и получить регулярные трехмерные решетки. Такая структура, подобно ферментам, может способствовать синтезу довольно сложных молекул. Это путь к новым методам синтетической химии.

Тонкие пленки кластеров с подходящими электронными свойствами могут представлять большой интерес для микроэлектроники: устройства оптической памяти, обработка изображений и прочее.

Выращивание кристаллов с нанесением на полупроводниковый слой кластеров может привести к созданию суперструктур, обладающих переменными свойствами полупроводника (отсюда микропрограммирование, суперкомпьютеры).

Возможность изготавливать детали из кластеров со временем приведет к созданию электронных приборов молекулярных размеров. В перспективе можно представить конструирование устройства, которое служило бы звеном между твердотельной схемой и биосистемой, такой как система нейронов. Новые возможности в области теплой сверхпроводимости могут дать тонкие пленки итрий-барий-медного состава, в котором медь представлена в виде кластера.

Необычайно высокая плотность валентных электронов кластеров определяет не только их сильную реакционную способность, но и уникальную способность поглощать свет, что может вести к созданию эффективных детекторов излучений, созданию новых химически активных сред для лазеров и даже супермелкозернистой фотопленки.

Исследование в области кластеров является новым научным направлением на границе нескольких областей знания. Эти исследования пока находятся на начальной стадии. Пока еще нельзя наиболее ценные свойства микрокластеров использовать в промышленности, поскольку кластеры требуемого размера и свойств производят в малом количестве. Исключение составляют разве лишь фуллероны - кластеры из 60 атомов углерода, которые уже производят килограммами.

Из истории науки известно, что создание новых материалов привело к технической революции. Новые материалы, полученные на основе микрокластеров, могут привести к многоплановой технической революции: новым системам памяти на основе квантовых «точек», материализации принципа суперпозиции, к новым суперкомпьютерам и многому другому. Качественное отличие этих материалов от «старых» состоит в том, что они обладают многими новыми качествами на молекулярном уровне. В настоящее время в ряде стран ведутся очень интенсивные исследования в этой области и, в основном, силами частных фирм. Нужны ли нам новые высокие технологии? - Хочется спросить самих себя, - ведь выход из кризиса состоит не в престижных исследованиях, а в развитии суперперспективных, не правда ли?..

О.Займидорога,

главный научный сотрудник ЛЯП.