НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ
В НАУКЕ О ТВЕРДОМ ТЕЛЕ
Давно известно, что свойства наночастиц серьезно отличаются от свойств массивных кристаллов. Однако существующие теории конденсированного состояния вещества до сих пор не могут объяснить, в чем причина такого различия свойств.
Юрий Веснин, к.х.н., в.н.с. ИНХ СО РАН
Научную общественность, вероятно, заинтересуют следующие факты.
В 1969 г. в Институте неорганической химии СО АН была сформулирована гипотеза о существовании элементарной единицы кристаллического вещества — «кванта кристалла». В 1970 году эта работа была опубликована. В 1994 году на ее основе построена последовательная теория вторичной структуры кристаллов (ВСК). С 1994 г. разработаны различные
приложения в химии, физике, механике твердого тела. Было показано, что теория ВСК вполне адекватно отражает реальные процессы в твердом теле — качественно и количественно.
Известно, что свойства кристаллических частиц размером
~ 10–6 см и менее (наночастицы) существенно отличаются от свойств массивных кристаллов. Материалы, содержащие достаточное количество таких частиц, имеют необычные и важные для практики свойства. Поэтому во всех развитых странах созданы национальные программы по науке и технологии наночастиц. Однако здесь сложилась необычная ситуация. Существующие теории конденсированного состояния вещества не могут объяснить, почему свойства наночастиц отличаются от свойств массивного вещества. Промышленность во всем мире выпускает наночастицы и материалы на их основе во все возрастающих масштабах (тысячи тонн в год), а нанонаука все еще гадает, откуда такое различие свойств. Поэтому работа по программам ведется на основе эмпирического подхода, что многократно снижает их эффективность и приводит к большим материальным потерям.
Теория ВСК объясняет это явление на основе понятия «Элементарная единица кристалла». Эта единица («минимальный кристалл — мик») является аналогом молекулы, т.е. гигантской молекулой твердого тела размером около 300 ангстрем. Частица меньшего размера является «субкристаллом» — аналогом молекулы-радикала. Как и любой радикал, субкристалл обладает повышенным энергосодержанием и реакционной способностью. Становятся понятными многие свойства наночастиц. Например, идет дискуссия, какова верхняя граница размеров наночастиц. Теория ВСК дает ясный ответ: 300±100 ангстрем.
Другой пример. В механике твердого тела одно из основных понятий — дислокация. Существующая теория рассматривает ее как дефект атомной структуры кристалла. Теория дислокаций развивается уже свыше 50 лет — тысячи статей, десятки учебников и т.п. В настоящее время эта теория, по-видимому, не способна правильно объяснить и предсказать многие факты. Теория ВСК рассматривает дислокацию как дефект вторичной структуры кристаллов — одно из проявлений граничных промежутков между элементарными единицами кристалла. Для объяснения пластической деформации существующая теория вводит искусственные понятия — краевая, винтовая дислокации, вектор Бюргерса и т.п. Согласно теории ВСК, пластическая деформация — это просто взаимное смещение по границам миков. Получают естественное объяснение «трудные вопросы» существующей теории: сохранение кристаллической структуры при деформации, низкие значения пределов текучести кристаллов и т.д. Становятся ненужными многочисленные искусственные понятия существующей теории дислокаций.
Аналогичные примеры есть и в других разделах — изоморфизм, катализ, электронный транспорт. Так, на основе понятия «субкристалл» предложен новый механизм гетерогенного катализа. Предложен новый механизм кристаллообразования и роста кристаллов, причем аналогичные подходы пока лишь формируются в работах по росту кристаллов (кластерный рост). Рассмотрены и обоснованы новые механизмы атомной диффузии в кристаллах. По-новому трактуется механизм эффекта Ганна в полупроводниках. Все эти работы опубликованы.
В настоящее время оформилось новое междисциплинарное научное направление: «Вторичная структура кристаллов — теория и ее приложения в химии, физике, механике твердого тела». Теория ВСК даже в своем первоначальном варианте дает правильные ответы на вопросы, неразрешимые в рамках существующих теорий. Многочисленные примеры даны в монографии «Вторичная структура и свойства кристаллов» (Изд. СО РАН, 1997 г.) и статьях. Аппарат теории развивается при решении конкретных задач химии, физики, механики твердого тела. Подготовлена монография «Теория вторичной структуры кристаллов». Дальнейшее развитие и создание полноценного аппарата теории ВСК позволит получить новые полезные результаты в науке о твердом теле.
В целом, это новое научное направление вполне соответствует принципу, сформулированному акад. Н. Добрецовым («Наука в Сибири»,
№ 33, «Поиск» № 36, 2006 г.) — найти такие ниши в мировой науке, которые еще не заняты или только формируются, найти принципиально новые пути развития науки («перегонять не догоняя»). Вторичная структура кристаллов — принципиально новый путь в науке о твердом теле. Здесь важное значение имеет поддержка научной общественности и фактор времени, т.к. реализация существующих возможностей науки проходит в условиях противодействия влиятельных сил, стремящихся разрушить науку в стране.
стр. 8
|
