Кластеры Выполнил ученик 10 АВ класса Сурченко А. Руководитель: учитель физики Руднева Е.Н. Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей 1» Тула, 2013

ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель Цель – изучение понятия «кластер», его классификации и областей применения.Задачи: - изучить понятие «кластер», историю появления термина, свойства кластеров; - проанализировать различные способы классификации путей образования кластеров; - изучить области применения кластеров; - исследовать связь нанотехнологий и живой природы. Методы научного исследования: Методы научного исследования: изучение и анализ научной и научно-популярной литературы.

КЛАСТЕР. ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ ТЕРМИНА Кластер Кластер - это группа из небольшого (счетного) и, вообще говоря, переменного числа взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов). в 1937 году Дж.Е.Майера Термин впервые появился в 1937 году в работах Дж.Е.Майера по статистической механике неидеальных газов. Первоначально он означал группу атомов и молекул, выделяемую в газе по определенным формально-математическим признакам. Я.И.Френккелю, Однако вскоре благодаря Я.И.Френккелю, стало ясно, что при описании неидеальных газов, и особенно пред переходных состояний, можно опираться на представление о действительном образовании групп или агрегатов, молекул. Т.Хилломв 1955 году Строгая теория неидеальных газов, основанная на представлении о физических кластерах, была развита в статистической механике Т.Хиллом в 1955 году.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. СВОЙСТВА КЛАСТЕРОВ Свойства кластеров кардинально отличаются от свойств макроскопических объемов материалов того же состава. конструировать новые материалы Из нанокластеров, как из крупных строительных блоков, можно целенаправленно конструировать новые материалы с заранее заданными свойствами и использовать их в каталитических реакциях, для разделения газовых смесей и хранения газов. магнитные кластеры, Большой интерес представляют магнитные кластеры, состоящие из атомов переходных металлов, лантаноидов, актиноидов. Эти кластеры обладают собственным магнитным моментом, что позволяет управлять их свойствами с помощью внешнего магнитного поля. Наномагниты представляют интерес при проектировании процессоров для квантовых компьютеров. 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.

Разнообразие типов кластеров определяется возможностью сочетания различных сред и способов стабилизации с множеством вариантов построения тела кластера из частиц той или иной природы. РАЗНООБРАЗИЕ КЛАСТЕРНЫХ СТРУКТУР

КЛАССИФИКАЦИЯ ПУТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ КЛАСТЕРОВ агрегация дезагрегация Существует два общих пути образования кластеров агрегация в кластер одиночных («мономерных») частиц или кластеров меньшего размера и дезагрегация до кластеров больших коллективов взаимодействующих частиц. пример агрегативного пути образования кластеров зарождение новой фазы. Самый наглядный и в то же время самый важный пример агрегативного пути образования кластеров зарождение новой фазы. Это частный случай весьма общей категории процессов качественного изменения структуры; для всех таких процессов характерно первоначальное возникновение зародышей новой структуры в недрах старой. путем дезагрегации больших коллективов частиц возможно при испарении конденсированных фаз, а также при растворении твердых веществ в жидкостях и плотных газах. Образование кластеров путем дезагрегации больших коллективов частиц возможно при испарении конденсированных фаз, а также при растворении твердых веществ в жидкостях и плотных газах. Кластеры в этом случае могут быть либо промежуточными формами на пути образования новой фазы, либо гетеро фазными флюктуациями, характеризующими пред переходное состояние.

ДРУГАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ КЛАСТЕРОВ Образование кластеров, находящихся в равновесии с материнской средой, есть попросту условие наибольшей устойчивости этой среды: Образование кластеров, находящихся в равновесии с материнской средой, есть попросту условие наибольшей устойчивости этой среды: это обеспечивает минимальность свободной энергии данных систем. равновесной или неравновесной является система, в которой кластеры возникают и существуют. Процессы образования кластеров могут быть классифицированы и иначе по тому, равновесной или неравновесной является система, в которой кластеры возникают и существуют. Такое деление имеет смысл именно при рассмотрении систем в целом; оно позволяет увидеть физико-химические причины, обусловливающие возникновение кластеров в обоих этих случаях. В неравновесных системах кластеры образуются (и исчезают) в качестве некоторых переходных форм В неравновесных системах кластеры образуются (и исчезают) в качестве некоторых переходных форм на пути системы из одного состояния в другое. «мерцающие кластеры» модель, предложенная для описания жидкой воды. Интересный пример: «мерцающие кластеры» модель, предложенная для описания жидкой воды. Эти кластеры непрерывно изменяют свой размер, то увеличиваясь, то уменьшаясь вплоть до полного разрушения; среднее время их жизни оценивается в с

ПРИМЕНЕНИЕ КЛАСТЕРОВ медицина, Одной из важнейших областей применения нанокластеров является медицина, прежде всего диагностика раковых опухолей. принципиально новых материалов и покрытий, парфюмерии. Нанокластеры получили широкое промышленное применение в производстве принципиально новых материалов и покрытий, парфюмерии.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КЛАСТЕРОВ. АЭРОГЕЛИ Аэрогели Аэрогели класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Гели Гели системы, состоящие из высокомолекулярных и низкомолекулярных веществ. механические свойства твердых тел: Наличие трёхмерного полимерного каркаса (сетки) сообщает гелям механические свойства твердых тел: - отсутствие текучести; - способность сохранять форму; - прочность; - способность к деформации (пластичность и упругость). твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т.д. Аэрогели обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т.д.

легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. хорошие теплоизоляторы. Аэрогели, в особенности кварцевые хорошие теплоизоляторы. гигроскопичны. Они также очень гигроскопичны. полупрозрачны. По внешнему виду аэрогели полупрозрачны. Распространены кварцевые аэрогели, им также принадлежит текущий рекорд по самой малой плотности у твердых тел 1,9 кг/м³, это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ КЛАСТЕРОВ. АЭРОГЕЛИ

СВЯЗЬ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ЖИВОЙ ПРИРОДЫ Для нанотехнологий в целом характерно использование «достижений» живой природы, сформировавшихся за миллионы лет эволюции. лист лотоса, покрытый «нанокочками», послужил образцом для создания самоочищающегося стекла: Например, лист лотоса, покрытый «нанокочками», послужил образцом для создания самоочищающегося стекла: капли воды больше таких «нано пупырышек» и остаются лежать на них, не растекаясь по стеклу и не смачивая его. Внешне стекло остается прозрачным. Такое покрытие может быть также использовано в микроустройствах для уменьшения трения.

ВЫВОДЫ Создание и разработка нанотехнологий играют важную роль в развитии современной науки и техники. Одной из наиболее перспективных областей научно-технического развития является разработка кластерных технологий. Кластеры – группы частиц (атомов, молекул или ионов), выделяемых по общим свойствам и признакам. Из них, как из строительных блоков, можно конструировать новые материалы с заданными свойствами. Кластерные технологии нашли широкое применение в промышленности, медицине, парфюмерии. Эта область развития науки и техники изобилует открытиями и достижениями, позволяя постоянно расширять сферу применения кластерных нанотехнологий.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Губин С.П. Химия кластеров.-М.: Наука, 1987 г. 426 c html 6. Калинников В.Т., Ракитин Ю.В. Введение в магнетохимию.-М.: Наука, 1980 г. 383 c.