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
~ 106 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
|