Химия — наука своеобразная. Это естественная наука, но в ней, как правило, нет жестких определений. И определение интерметаллидов тоже довольно вольное. Я очень люблю то, которое дал в середине 60-х годов прошлого столетия немецкий химик Шульц. Он сказал: «Будем считать интерметаллидом то, что образовано минимум двумя металлами и, возможно, еще каким-то металлоидом». Это соединение — интерметаллид — обязательно должно иметь кристаллическую структуру, но не такую, какую имеют входящие в его состав металлы.
Но исторически мы забываем, что интерметаллиды — это класс соединений, который потерял свое название из-за бытовых и обиходных словосочетаний, таких как металлы и сплавы. И мы — ученые, инженеры, техники и просто потребители конечной продукции — говорим «металлы и сплавы», забывая о том, что многие сплавы — это на самом деле химические соединения между металлами. Но, во-первых, есть исторический аспект, а во-вторых, большинство интерметаллидов, большинство интерметаллических соединений получают совместным плавлением металлов, в них входящих. Отсюда и название «сплавы».
Что такое интерметаллид? Это химическое соединение, состоящее минимум из двух сортов атомов, каждый из которых металл. Возможно, входит какой-то металлоид, такой как кремний, германий или сурьма. В целом это соединение, которое нельзя описать одним свойством. Когда мы говорим «металлы», мы говорим, что они ковкие. А интерметаллиды бывают и ковкие, и хрупкие. Когда мы говорим о металлах, мы говорим, что это хорошие проводники электричества. Интерметаллиды бывают очень хорошими проводниками электричества, а бывают практически изоляторами. И химия интерметаллидов, да и в какой-то степени и физика интерметаллидов, развивается до сих пор эмпирически по одной простой причине: очень сложно описать взаимосвязь между кристаллическим строением и химической связью, а следовательно, и между всеми свойствами, которые из сочетания кристаллического электронного строения должны возникать у этих интерметаллидов.
Если мы вернемся к базовым аспектам химии, то можем сказать, что есть обычные ковалентные соединения. Орбитали объединились, и эти орбитали распространились между двумя атомами, образовалась химическая связь, ее заселили электроны. И мы всегда можем сказать, что у нас есть такое-то количество электронов на таком-то количестве орбиталей, которые направлены друг к другу, и мы имеем ковалентное соединение. В идеале восемь электронов около непереходного металла. Мы можем также описать ионные соединения как образованные почти полной передачей электронов от катиона к аниону. Мы можем описать и более сложные случаи — комплексные соединения D-металлов, рассматривая взаимодействия с D-орбиталью металла и находящихся на них электронов с некоторыми анионными частицами. Мы их называем лигандами и говорим, что они создают поле вокруг комплексообразователя. Это все очень хорошо и понятно. С интерметаллидами это не так, поэтому, чтобы описать их, нужны другие подходы.
Исторически интерметаллиды известны очень давно, они всегда назывались сплавами. Иногда их даже путали и считали металлами. Примеры очень простые. Все знают, что такое латунь, и все считают латунь сплавом, что неверно, потому что латунь — это химическое соединение меди и цинка. А есть бронзы, они бывают разные. Бронзы — это химическое соединение меди и олова. Но у них может быть разный химический состав. Для одного химического состава бронза будет ковкая и подходящая для изготовления изделий, украшений, ювелирных изделий. В других случаях, при других составах, бронза будет иметь другое свойство: она будет звенеть, и из нее можно сделать колокол. Значит, это акустическая бронза. В зависимости от состава и строения возникают те или иные свойства. Это химическое соединение со своим набором свойств, начиная со структуры и кончая какими-то физическими свойствами, которые мы готовы использовать. Других примеров тоже огромное количество. Но я хотел бы сначала вернуться к проблеме установления прогностических свойств между структурой и составом.
Давайте возьмем типичное строение интерметаллида. Это высочайшие координационные числа. Металл может иметь координационное число десять, двенадцать, редко, но может иметь и большие координационные числа. И если посмотреть на число орбиталей, которые может предоставить даже переходный металл для участия в химической связи, мы обнаружим, что этих орбиталей всего девять, которые находятся на валентном и активном предвалентном энергетическом уровне. Этим можно объяснить максимум девять связей. Но на самом деле их, как правило, больше. Затем другая сложность. Во многих исследуемых в современной химии интерметаллидах присутствуют одни и те же по химическому сорту атомы металла, но в различном координационном окружении. Скажем, в одном из тех соединений, которые сейчас изучаются как необычный магнитный материал, есть атомы железа с координационными числами шесть, семь, восемь и девять в одном соединении.
Описать такую химическую структуру очень сложно с точки зрения электронных свойств, поэтому применяют эмпирические правила, и таких правил очень много. Те же латунь и бронзу объяснял Юм-Розери. Австрийский ученый Новотны объяснял строение фаз с очень интересным названием chimney ladder, как будто бы это каминная труба и лесенка к ней — он описывал так их кристаллическое строение. Сейчас уже более-менее разобрались, что такое строение фаз Цинтля. Но возникают все новые и новые интерметаллиды, и даже существуют отдельные семейства интерметаллидов под названием комплексные металлические сплавы. Они называются сплавами, будучи на самом деле химическими соединениями. Они настолько сложны, что несколько тысяч атомов могут образовывать элементарную ячейку кристаллической структуры.
Тогда спрашивается: нужно ли их исследовать? Может быть, это неинтересные соединения? Вот тут я не соглашусь с таким мнением, потому что есть два аспекта, на которые нужно обратить внимание. Во-первых, в науке, несмотря на требование современного мира, все равно есть такое направление, как генерация знаний. Понять, как устроена природа, и попытаться сделать то, что мы сможем использовать потом на благо всего человечества. Это первый аспект. То есть фундаментально понять закономерность между строением и составом, между электронной структурой и функциональными свойствами. А во-вторых, попытаться использовать их функциональное свойство. Некоторые известны давно. Я уже упоминал латунь, бронзу, но это металлургические приложения. Есть и гораздо более современные. Наверное, одним из наиболее важных из них является приложение в сверхпроводимости.
Несмотря на то что существуют высокотемпературные сверхпроводники — керамические, не металлические, — у них есть свои минусы. При высокой температуре перехода в сверхпроводящее состояние они не выдерживают плотности тока, не выдерживают сильных магнитных полей. И когда нужно сохранить сверхпроводящее свойство в сильном магнитном поле, приходится возвращаться к так называемым интерметаллическим сверхпроводникам. Такие соединения, как Nb3Sn, Nb3Ge, V3Ga, являются типичными интерметаллидами. Их состав точно определен, их структура прекрасно известна, и она не имеет ничего общего со структурой соответствующих металлов, из которых эти соединения образованы. И наконец, эти соединения обладают переходом в сверхпроводящее состояние при температуре почти 20 кельвинов и выдерживают поля до 30 тесла. И отсюда возникает такое применение, как соленоиды в магнитах, вплоть до того, что их применяют на Большом адронном коллайдере.
Это первое приложение — сверхпроводимость. Свойства уникальные: полное выталкивание магнитного поля из соединения, абсолютная нечувствительность к прохождению электрического тока, то есть не вызываются никакие потери при его прохождении, и низкие температуры. И чем выше магнитное поле можно приложить к таким соединениям, причем они останутся сверхпроводниками, тем больший интерес в различной такой силовой технике.
Другое интересное применение — механическое. Всем известен сплав нитинол. Это не сплав, он является химическим соединением никеля и титана, типичным интерметаллидом, в котором никель и титан в равных мольных соотношениях образуют свою кристаллическую решетку. Эта кристаллическая решетка формируется при высоких температурах, она может быть закалена, после этого можно изменить форму этого сплава и, немного нагрев, увидеть, что исходная форма возвращается. Это так называемый сплав с формой памяти. Мы даже называем изделия из него изделиями из сплава с формой памяти. Но на самом деле это интерметаллическое соединение.
Есть и другие уникальные примеры. Возьмем два металла: они ковкие, блестящие, хорошо проводящие электрический ток. Сделаем из них интерметаллическое соединение, и оно окажется хрупким, тусклым и изолятором. Такие соединения тоже существуют. Их кристаллическая структура известна. Например, это соединение рутения и галлия (RuGa2) или соединение железа и того же галлия (FeGa3). Эти соединения тоже могут найти свое применение. С одной стороны, они похожи на металлы, с другой стороны, они не очень хорошо проводят электрический ток, плохо проводят тепло и могут использоваться как термоэлектрические преобразователи, которые переводят энергию тепловую в электрическую либо, наоборот, электрическую в тепловую. И работают при этом, в отличие от компрессоров и генераторов, абсолютно бесшумно, без механических частей. Они не требуют никакой поддержки. Они не требуют технического обслуживания и поэтому практически вечны. Срок работы таких материалов может измеряться 25–30 годами.
Разные структурные свойства, еще не совсем познанные, идущие из химической связи, делают интерметаллиды тем классом соединений, применение которых очень разнообразно. Понимание их природы еще не достигло такого уровня, чтобы создать надежную классификацию, чтобы создать систему прогноза свойств, чтобы проследить взаимосвязь между кристаллическим строением, электронным строением, составом и функциональным свойством. Я думаю, для того чтобы решить эту проблему, требуется привлечь усилия химиков, физиков и специалистов в области механики.
Основная задача — понять, каким образом интерметаллическое соединение может быть описано, как в этом интерметаллическом соединении взаимодействуют между собой электроны. И как в этом интерметаллическом соединении можно поставить на службу нам — ученым, инженерам, техникам — движение этих электронов, их взаимодействие между собой, их корреляции, то есть сильные взаимосвязи, которые в них протекают. И тогда создастся стройная система представлений о том, что такое интерметаллид. Это будет уже не только исторический аспект, не только аспект случайных открытий и изобретений, а это будет серьезное подразделение науки химической и физической о том, как сделать совершенно новые, совершенно уникальные материалы.
