«Гетеро-» - это нормально? Химия твердого тела

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 в 2000 году 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(тв.) + 2В(тв.) = ТаВ2 (тв.)

Этот 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).