Cluster (küme), birbirleriyle interkonnekte (arabağlantılı) atomlar, moleküller veya
iyonların kompakt ve izole bir grubudur; özellikleri, kurucu elementlerinin
özelliklerinden değişen derecelerde farklılıkar gösterir.
Cluster terimi,
farklı bilim alanlarında çok farklı objeleri ifade eder. Nükleer fizikte
cluster, elementer partiküllerin ilişkili gruplarıdır. Kimyada ve malzeme
biliminde cluster, çoğunlukla, tek bir atom (molekül, iyon) ile bir katı
(nanopartikül) arasındaki ara durumlardan birini tanımlar; buna göre, bir
cluster, küçük, çoğu zaman değişken, etkileşen atomlar, iyonlar veya moleküler
grubudur. Partiküllerin türüne bağlı olarak, tüm clusterler atomik, iyonik ve
moleküler, kompozisyonuna bağlı olarak metal, karbon, v.s. olarak ayrılır.
Cluster kavramına,
partikül boyutları ‘gözlenen özellikleri, makroobjelerin özelliklerinden önemli
derecede farklı olan, veya özellikleri diğer bir kurucu element ilavesiyle
değişen buyutlar’ın dahil edilmesi mantıklı olur. Partikül boyutları bir ila
iki bin atomu aşmaz ve çoğu zaman çok daha küçüktür. Özelliklerin, cluster
boyutuna bağımlı olmayan durumlar olabilir; özellikle küçük clusterlerde
gözlenen bu durum farklı boyutlarda ve farklı rakip yapısal tiplerin
oluşmasından kaynaklanır.
Metal clusterler
üretmenin birçok metodu vardır. Bunlar, metallerin, alaşımların ve ikili
bileşiklerin termal, plazma, elektron demeti veya lazerle buharlaştırılıp sonra
yoğunlaştırılmasına (kondensasyon) dayanır. Kondensasyon koşulları için temel
gereklilik, oluşan partiküllerin minimum bir büyüme hızında ve yüksek bir
nükleasyon hızına sahip olmasıdır; bu koşul, yoğunlaşan buharın maksimum soğuma
hızıyla sağlanır (metal buharın vakumda süpersonik akışı, inert gaz
atmosferinde buharlaşma, v.s.). Düşük sıcaklık matris izolasyon metodu,
clusterlerin sentezi ve incelenmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Clusterler gaz gazda bulunabilir; bu tip clusterlerin yapısı ve kompozisyonu,
yoğunlaşmış haldeki clusterlerin özelliklerinden belirli şekilde farklıdır.
Cluster oluşum süreçlerini incelemek için kütle spektrometresi ve çeşitli
spektroskopik gaz faz analiz yöntemleri kullanılabilir.
Metaller ve alaşımların cluster partiküllerinden başka,
cluster bileşikler (kompaund) de vardır; bunlarda, metal çekirdek *ligandlarla
stabilize edilir. Bu tür bileşiklerin moleküllerinde ligandlar, 0.35 nm'ye
kadar mesafelerde yerleşmiş metal atomları **frame’ini sarar ve doğrudan
metal-metal etkileşimine izin verir. (*ligand: koordinasyon kimyasında bir
ligand, bir iyon veya moleküldür; bir koordinasyon kompleksi oluşturarak merkez
atoma bağlanır, **frame: çatı, iskelet, beden, yapı.)
Bir cluster bileşiğinin frame’ini oluşturan metal
atomlarının sayısı olan nükleariteye (q) göre, tüm clusterler küçük (q = 3-12),
orta (q = 13-40), büyük (q = 41- 100) ve ekstra büyük ‘dev’ (q> 100) olarak
ayrılır. Cluster bileşikler, tranzisyon (geçiş) metalleri ve birçak
non-tranzisyon elementleri için karakteristiktir.
Homometalik clusterler (frame, 1 metalin atomlarından
oluşur) ve heterometalik clusterler (frame, 1, 2, 3, veya daha fazla metalin
atomlarından oluşur) bulınur. Cluster moleküllerin matal frame’i hem terminal
hem de köprü oluşturan yoğun bir ligand tabakası ile kaplıdır; bunlar bireysel
atomlar (H, Cl, Br, I, Se, v.s.), veya atomgrupları veya mleküller (CO, NO,
olefinler, v.s.) olabilir.
Bazen monatomik ligandlar (N, C, H, P, v.s.), dışında diğer
ligandların bulunduğu metal frame boşluğunda yerleşir. Diğer önemli bir cluster
bileşiği sınıfı, yarıiletken substansların clusterleridir; selenid veya
kadmiyum tellürid gibi. Bu gibi kümeler, organometalik kimyanın geleneksel
çözelti-bazlı yöntemleri kullanılarak, malzemenin makroskopik partiküllerinin
aşındırılmasıyla (etchleme), ancak istenilen partikül boyutunu elde etmek için
gözenekli matrislerin kullanılmasıyla sentezlenebilir. Cluster bileşikler de
olduğu gibi, bu tür clusterlerin de kimyasal kararlılığı, yüzeylerini organik
ligandlar veya yüzeyaktif cisimlerle (SAS) koruyarak başarılabilir. Bu
clusterler, özellikle mavi-ışık yayan diyotlarda ve parlak etiketlerde veya
objelerde kuantum noktalar olarak kullanılabilir. Genel olarak, metal veya
yarıiletken kümelenmelerin uygulamaları arasında, katalizleme, nanoelektronik
aygıtları ve metamalzemeler (fotonik kristaller gibi) oluşturulması
sayılabilir.
Diğer önemli cluster tipleri kolloidal krıistaller,
fullerenler Cn (n ³
20) ve dik-küre türevleri, endohedral fullerenler M@Cn,
matalokarbohedrenler veya metalokarbonlar M8C12 (M geçiş
metalidir: Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo and Fe), inorganik fullerenler, bununla
beraber inorganik ‘fullerenler’; molibden veya tungsten sülfürler ve bazı
inorganik oksitler ve halojenürlerden oluşan çok tabakalı çokyüzlü yapılardır,
bunların bazıları yüksek yağlama performansı sergiler.
(a) Ti8C12
moleküler cluster (dodekahedron), (b) hipotetikal (H2O)100 ikosahedralsu
cluster ve alt yapısı
