В физике термин «кластеры» обозначает небольшие многоатомные частицы. Как правило, любая частица, состоящая из 3×10 0 и 3×10 7 атомов , считается кластером.
Этот термин может также относиться к организации протонов и нейтронов внутри атомного ядра, например, альфа-частица (также известная как «α-кластер» [1] ), состоящая из двух протонов и двух нейтронов (как в ядре гелия ).
Хотя первые сообщения о кластерных видах относятся к 1940-м годам, [2] кластерная наука возникла как отдельное направление исследований в 1980-х годах. Одной из целей исследований было изучение постепенного развития коллективных явлений, которые характеризуют объемное твердое тело . Например, это цвет тела, его электропроводность, его способность поглощать или отражать свет, а также магнитные явления, такие как ферро-, ферри- или антиферромагнетизм. Это типичные коллективные явления, которые развиваются только в совокупности большого числа атомов.
Было обнаружено, что коллективные явления разрушаются для очень малых размеров кластеров. Оказалось, например, что небольшие кластеры ферромагнитного материала являются суперпарамагнитными, а не ферромагнитными. Парамагнетизм не является коллективным явлением, что означает, что ферромагнетизм макросостояния не сохраняется при переходе в наносостояние. Затем был задан вопрос, например: «Сколько атомов нам нужно, чтобы получить коллективные металлические или магнитные свойства твердого тела?» Вскоре после того, как в 1980 году были разработаны первые источники кластеров, все большее сообщество ученых, изучающих кластеры, было вовлечено в такие исследования.
Это развитие привело к открытию фуллеренов в 1986 году и углеродных нанотрубок несколько лет спустя.
В науке много известно о свойствах газовой фазы ; однако сравнительно мало известно о конденсированных фазах ( жидкой фазе и твердой фазе). Изучение кластеров пытается заполнить этот пробел в знаниях, объединяя атомы вместе и изучая их характеристики. Если бы достаточное количество атомов было объединено вместе, в конечном итоге можно было бы получить жидкость или твердое тело.
Изучение атомных и молекулярных кластеров также приносит пользу развивающейся области нанотехнологий . Если новые материалы должны быть сделаны из наночастиц, таких как нанокатализаторы и квантовые компьютеры , то сначала необходимо понять свойства наночастиц (кластеров).