Эти общие заключения можно несколько конкретизировать.

Пусть, например, на кинетику основной гетерогенной реакции налагается гораздо более медленный процесс образования поверхностных кластеров. Скорость миграции атомов, ведущая к образованию этих поверхностных структур, в свою очередь, зависит от частоты элементарных актов на поверхности.

Учет возникающих обратных связей между собственно реакцией и перестройкой поверхности приводит к таким нетривиальным кинетическим особенностям, как множественность, (неединственность) стационарных (или квазистационарных) состояний, критические явления, колебательные режимы реакции и т. п., словом, все то, что один из специалистов в этой проблематике справедливо назвал "кинетическим кошмаром". Действительно, с точки зрения традиционной кинетики эти вещи иначе и не назовешь. Например, "множественность стационарных состояний" означает, что при данной температуре и составе среды скорость гетерогенной реакции может иметь два (и больше) различных значения. С привычной точки, зрения это кажется диким, хотя подобные явления уже открыты.

Некоторые из таких кинетических эффектов могут быть истолкованы с помощью других понятий, но для нас существенно обратить внимание на то, что сравнительно медленные процессы кластерообразования, которые налагаются на стадийный механизм основной реакции, необычайно обогащают общую кинетическую картину суммарного процесса (и еще более необычайно усложняют работу исследователя).

Основное направление изучения кластеров

Все предыдущее было попыткой с разных сторон и на разных примерах пояснить, что же представляют собой кластеры в химии. Примеры эти выбраны почти наудачу из множества, мощность которого не поддается оценке, а характер изложения обусловлен тем, что нынешнее состояние наших знаний о кластерах — скорее "описательное", чем "объяснительное". Все же период первоначального стихийного накопления подходит к концу.

Представляется, что подлежат разрешению две главные проблемы: одна — преимущественно экспериментальная, другая — в основном теоретическая.

Во-первых, необходимо систематически исследовать кластеры, охарактеризованные точным числом частиц. Это задача прежде всего препаративная, однако чрезвычайно трудная. Сравнительно простым является получение частиц с узким распределением по размерам, но это лишь малоудовлетворительный паллиатив. По-видимому, одним из перспективных обходных путей может явиться получение и исследование кластеров, стабилизированных матрицами с закономерно изменяющимися свойствами; так, уже начато освоение матриц из алканов.

Во-вторых, необходимо установление закономерностей перестройки (и надстройки) структур кластеров разного типа. При этом надо учитывать как привычные энергетические факторы, так и позже вошедшие в сознание химиков квантовомеханические запреты и разрешения; главное же, искомые закономерности должны охватывать не только и не столько "статику", сколько "динамику" — кинетику и механизмы перестройки структур. Одной из первых работ в этом направлении является анализ переходов между структурами С6 с позиций теории конечных групп. Вообще, кажется необходимым привлечение серьезных математических сил и нетрадиционных для химии подходов, в особенности топологических, для решения этой проблематики.

Кроме этих собственно "кластерных" проблем, есть и еще одна — общехимическая,, постановке которой и посвящена эта брошюра: какое же место занимают кластеры в химии? Место это определяется переходным характером кластеров, переходным в нескольких отношениях.

В химии кластеры представляют собой не единичный объект, а совокупность родственных объектов, рядов, расположенных между единицами и множествами, далее — между определенными и неопределенными соединениями и между однородными и неоднородными системами. Наконец, в зависимости от степени стабилизации кластеры занимают то или иное место между обычными химическими индивидами и состояниями, столь непрочными и кратковременными, что они оказываются лишь мгновенными положениями химического процесса.

Кластер не являющийся молекулой

Здесь уместно обсудить вопрос, который мы обошли вначале: отличается ли кластер от молекулы? Положительный ответ очевиден, иначе химия удовлетворилась бы только одним понятием, более старым. Более корректно поставленный и далеко ведущий вопрос звучит так: не является ли молекула частным случаем кластера? Здесь ответ неоднозначен, но если ограничиться многоядерными молекулами, включающими одинаковые или близкие атомы, то такие молекулы можно рассматривать как стабилизированные кластеры. Чтобы избежать упреков в казуистике, возьмем резкий и отчетливый пример — соединения углерода, для наглядности — углеводороды. . Не будет натяжкой рассматривать их как стабилизированные водородом углеродные кластеры. Алифатические углеводороды — это кластеры углерода с цепочечной структурой, циклические и полициклические — с двухмерной структурой, наконец, адамантаны, кубаны, конгрессаны — представители трехмерных углеродных кластеров. При постоянных. внешних условиях "кластерный характер" углеводородов становится все более явным с усложнением структуры и ростом ненасыщенности. Бульвален (С1рН10) и его сородичи с громадным числом изомеров и легкими переходами между ними уже рассматриваются в литературе как типичные кластерные соединения углерода, и для этого есть все основания. Если быть последовательными, то и алканы нужно признать прочно стабилизированными углеродными кластерами. Здесь кластеры достаточно индивидуальны, так как в обычных условиях барьеры для перехода от g-кластеров настолько высоки, что обеспечивают самостоятельное существование и тех и других. Вместе с тем налицо множество зависимостей,. описывающих свойства - гомологических рядов и выражающих собой размерные эффекты.

Можно быть уверенным, что в подходящих условиях "кластерный характер" и таких соединений углерода обязательно проявится более наглядно. Собственно, это и наблюдается как при пиролизе углеводородов, дающем практически непрерывный набор продуктов, так и в более тонких каталитических реакциях; например, типа синтезов Фишера — Тропша.

Обратим внимание на то, что представления об устойчивости и индивидуальном существовании связаны с масштабами времени, которые для нас естественны. Вероятно, химия короткоживущих кластеров потенциально столь же разнообразна, как, например, химия углерода; просто при достигнутом сегодня временном разрешении мы еще не в силах этого заметить.

Кластеры как переходная форма в химии

Вернемся к схеме, показывающей характер кластеров как переходной формы в химии. Переходы от единицы к множеству уже обсуждались, нужно только добавить, что они вместе с тем суть и переходы от определенных соединений к неопределенным. Но постепенные переходы между дальтонидами и бертоллидами отвечают и движению от .устойчивых кластерных соединений к соответствующим рядам слабо стабилизированных кластеров. Как можно видеть на примере NiCO), с ростом размера такие кластеры оказываются соединениями переменного состава.