Экспериментальные и расчётные значения энергии связи малых кластеров бора и углерода от 2 до 12 атомов (от B2 до B12 и от C2 до C12) включительно методами функционалов плотности и расчётные и экспериментальные значения энергии связи кластеров B2 и C2

Основной задачей нанотехнологии является создание материалов с определенными свойствами,
зависящими в первую очередь от дисперсности составляющих элементов, наночастиц.
Получаемые современными химическими методами наночастицы характеризуются функцией
распределения по размеру, при этом их состав и строение являются неопределенными. В
результате достаточно сложно осуществить соотнесение наблюдаемых физико-химических
свойств наноматериала с конкретным составом или структурой частицы. Следовательно,
фундаментальный и практический интерес для нанотехнологии представляет изучение атомных
кластеров строго определенного состава и строения.
Собственно сами термодинамические функции состояния кластеров углерода, даже если они
получены, трудно целенаправленно использовать из-за многообразия структур возможных
кластеров углерода. Поэтому необходима их классификация. Теоретически углерод может иметь
бесконечное число аллотропных модификаций [1]. Различные виды самих алло-тропов углерода и
различные их классификации подробно описаны в литературе [2, 3].
Наиболее последовательная классификация аллотропов углерода получается, если рассматривать
количество атомов углерода, находящихся в первой координационной сфере каждого из атомов,
т.е. координационное число (КЧ). Графическая классификация аллотропов углерода детально
изложена в [2], когда вершинам равностороннего треугольника отвечают модификации с
координационными числами атомов углерода: 2 (карбин), 3 (графен, фуллерены, графит) и 4
(алмаз).
Поскольку поверхностные атомы кластеров углерода имеют КЧ от 1 до 3, а не от 2 до 4, как в
аллотропах, то кластеры не всегда могут быть классифицированы подобно аллотропам. Только
фуллерены, представляющие собой оболочки поверхностных атомов, могут быть описаны
соответствующими кластерами. Поэтому для кластеров, моделирующих основной структурный
мотив аллотропа (назовем их аллотропоподобными, т.е. алмазоподобными, графеноподобными
и т.п. кластерами), но имеющих поверхностные атомы, следует ввести иную схему классификации.
Опираясь на идею графической классификации аллотропов, возможная схема классификации
аллотропоподобных кластеров Cn представлена на рис. 1.
Вершины квадрата на рис. 1 отвечают диуглероду C2 с координационным числом углерода,
равным 1 (к.ч. = 1); карбину (carbyne, c, к.ч. = 2); графену (graphene, gn), графиту (graphite, gt),
фуллеренам (fullerene, f), нанотрубкам (nanotube, tb, к.ч. = 3) и алмазу (diamond, d, к.ч. =4).
Рис. 1. Графическая схема классификации аллотропоподобных кластеров Сп по арифметически
среднему координационному числу атомов углерода в кластере. Внутри окружностей, указаны
координационные числа атомов углерода
Энергии стабилизации всех линейных и циклических кластеров [4], удовлетворительно
согласуются с величиной Ып (рис. 2). Поэтому, в основном, стабильность кластеров определяется
локальной структурой его атомов углерода.
Рис. 2. Изменение энергии стабилизации кластеров углерода С4-С26 [4] в зависимости от значения
среднего эффективного координационного числа атомов углерода в кластерах. Сплошная линия
регрессии относится к линейным кластерам с нечетным количеством атомов углерода. Штриховая
- к кластерам состава 4т+2, где т =1, 2, 3, 4, 5, 6. Обозначения точек: черные ромбы относятся к
линейным нечетным кластерам, светлые ромбы - линейным четным, черные треугольники -
нечетным циклам