Спроси профессора о науке, химии и вообще...

Как химия твердого тела отвечает на вопрос: гетеро- это нормально?

Химия твердого тела изучает реакции, в которых участвует одно или несколько веществ в кристаллическом или твердом аморфном состоянии. Находит применение в микроэлектронике, синтезе новых материалов (керметов, сверхпроводников).

Особенности строения твердых веществ проявляются, прежде всего, в наличии у них ближнего (аморфные вещества и стекла) и дальнего (кристаллы) порядка, а также в способности многих твердых веществ отклоняться от законов стехиометрии. Открытие дифракции рентгеновских лучей (1912) и развитие кристаллохимии позволили глубже понять структуру твердых веществ и не только обосновать существование обширного класса нестехиометрических веществ, но и ввести понятие нестехиометрии. Она наиболее характерна для немолекулярных кристаллических соединений – оксидов, халькогенидов и других бинарных соединений металл – неметалл, тройных соединений (например, оксидных бронз, соединений внедрения).

Реакции твердых тел носят топохимический характер и зачастую определяются скоростью диффузии в твердых телах.

Среди новейших направлений развития химии твердого тела – синтез и изучение высокотемпературных сверхпроводников, открытых К. Мюллером и Дж. Беднорцем (1986), создание и исследование свойств наноструктурированных материалов, которые состоят из частиц размером 1-15 нм или пленок толщиной 1-15 нм. Относительно большая доля пограничных (приповерхностных) слоев определяет значительные (иногда на несколько порядков) отличия свойств наноструктурированных материалов от свойств кристаллов и стекол того же состава. Разрабатываются методы получения (нанотехнология) наноматериалов, а также гетероструктур с размерами составляющих их элементов (слоев) от 1 до 10 нм.

Гетероструктуры принесли Ж.И. Алферову, совместно с Х. Кроемером и Д. Килби Нобелевскую премию по физике за 2000 г. за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров». Лазеры на гетероструктурах используются во всех считывающих лазерные диски устройствах и даже… в лазерных указках. Любимая шутка Алферова: «Нормально – это когда гетеро-».

Приведу еще два значимых примера.

1. Методом Чохральского выращивают из расплава монокристаллы кремния для микроэлектроники.

2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) – гетерогенное твердопламенное горение.

Та

Это способ проведения экзотермических реакций в твердых порошках основан на открытии группы отечественных ученых во главе с академиком А.Г. Мержановым (1967 г.). Современное развитие метода СВС позволило разработать технологии получения сверхтвердых и тугоплавких материалов, таких, как нитрид титана, карбид бора, диборид титана, карбид титана, а также оксидных материалов для футеровки печей (оксид циркония) и даже высокотемпературных сверхпроводников.

Работают Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (Черноголовка), Институт химии твердого тела УрО РАН (Екатеринбург), Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН (Новосибирск). Можно почитать: Вест А. Химия твердого тела. Ч. 1,2. – М.: Мир, 1988; Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. Черноголовка: ИСМАН, 2000; Ярославцев А.Б. Химия твердого тела. М.: Научный мир, 2009.