супрамолекулярные клатраты: от экзотических веществ к материалам нового поколения

ХИМИЯ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КЛАТРАТЫ: ОТ ЭКЗОТИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ К МАТЕРИАЛАМ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ А. В. ШЕВЕЛЬКОВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ВВЕДЕНИЕ SUPRAMOLECULAR CLATHRATES: FROM EXOTIC COMPOUNDS TO ADVANCED MATERIALS A. V. SHEVELKOV Clathrates, the long-known exotic supramolecular compounds, are becoming the prospective thermoelectric materials. Composition, structure and properties of semiconducting clathrates are considered. The potential of their application is discussed. © Шевельков А.В., 2004 Рассмотрены состав, строение и свойства клатратов, ранее считавшихся не более чем экзотическими супрамолекулярными соединениями. Показаны перспективы применения полупроводниковых клатратов в качестве материалов для термоэлектрического охлаждения. 44 journal.issep.rssi.ru В 1998 г. “Соросовский Образовательный Журнал” сообщал о необычном классе супрамолекулярных соединений, которые имеют общее название “клатраты” [1]. В статье Ю.А. Дядина “Супрамолекулярная химия: клатратные соединения” подробно обсуждались история открытия клатратов, особенности их строения и стехиометрии, принципы классификации и основные свойства. Лейтмотивом увлекательного повествования Ю.А. Дядина, пожалуй, можно назвать замечание о том, что “клатраты сохраняют определенную долю экзотичности и в наше время”. С тех пор прошло немногим более пяти лет, и мы должны признать, что сегодня клатраты не называют объектами занимательных исследований, сегодня это основа для создания материалов нового типа. В первую очередь речь идет о материалах для активного охлаждения. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Что представляют собой материалы для активного охлаждения? Как они могут использоваться? Какие требования к ним предъявляют? Каковы перспективы использования супрамолекулярных клатратов? Представим себе простейшее устройство, состоящее из двух соединенных полупроводников n- и p-типа (рис. 1). При пропускании электрического тока в направлении от n- к p-полупроводнику носители зарядов – электроны (n) или дырки (p) – удаляются прочь от рабочего контакта, унося с собой тепло. Следовательно, рабочий контакт, называемый также активным элементом, охлаждается. Если создать батарею из соединенных между собой простейших устройств, можно добиться охлаждения почти на 150°. Такие устройства, обычно называемые термоэлектрическими охладителями, созданы и промышленно изготавливаются для использования в качестве охладителей для ИК-приемников, компьютерных процессоров и лазерных устройств, а также холодильных сумок. Этим область применения термоэлектрических охладителей сегодня ограничивается, но С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4 ХИМИЯ Активное охлаждение p n Отвод тепла – + I Рис. 1. Устройство для термоэлектрического охлаждения перспективы их возможного использования впечатляют. Во-первых, если создать материал, который способен работать при низких (порядка 100 К) температурах, то может возникнуть новая область техники – супрамолекулярная электроника, основанная на том, что термоэлектрические охладители будут поддерживать низкую температуру, достаточную для работы сверхпроводников. Во-вторых, при достижении требуемой эффективности термоэлектрические охладители можно будет использовать в промышленных и бытовых холодильниках нового типа, огромное преимущество которых заключается в том, что они не содержат движущихся частей и вредных химических хладагентов – фреонов, а значит, чрезвычайно надежны и экологически безопасны. Мер