Хи́мия твёрдого те́ла (химия твёрдого состояния, химия материалов), раздел химии, направленный на развитие методов синтеза твёрдых веществ и материалов с заданными кристаллической структурой, морфологией, физико-химическими и биологическими свойствами. Изучает строение, химические и физические свойства твёрдых тел, протекание химических реакций в них и особенно взаимосвязь между составом, кристаллической структурой, микроструктурой и свойствами твердофазных соединений и веществ. Объекты синтеза и исследования в химии твёрдого тела – кристаллические, нанокристаллические и аморфные, неорганические и органические твердофазные вещества и материалы.

Выделение химии твёрдого тела в самостоятельную науку обусловлено появлением возможностей для синтеза новых твердофазных материалов, не существующих в природе. Химия твёрдого тела изучает условия и механизмы направленного получения твердофазных химических соединений и их композитов, их различные физико-химические свойства, особенности формирования макро- и микроструктуры неорганических, полимерных и композиционных материалов с заданными и контролируемыми улучшенными эксплуатационными свойствами.

Центральное место в химии твёрдого тела занимают представления о дефектной структуре и нестехиометрии кристаллических твёрдых веществ, а также особенностях твердофазной атомной и ионной диффузии. Именно поэтому становление химии твёрдого тела происходило параллельно с развитием представлений о дефектах структуры, нестехиометрии, упорядочении и разупорядочении и с использованием методов кристаллографии, кристаллохимии, квантовой химии, молекулярной динамики и компьютерного моделирования.

Основные научные задачи

Основные научные задачи химии твёрдого тела: построение фазовых диаграмм многокомпонентных систем на основе данных термического анализа, дифракционных и термодинамических данных, полученных при различных температурах и давлениях; исследование влияния дефектов, нестехиометрии и атомного беспорядка на структуру и свойства твёрдых веществ, особенно оксидов, карбидов, нитридов и халькогенидов со смешанным типом химической связи; анализ и построение диаграмм типа «состав – структура – свойства», обеспечивающих направленный синтез твёрдых веществ с заданными свойствами.

Химия твёрдого тела является комплексной междисциплинарной научной дисциплиной, лежащей на стыке физической и неорганической химии, физики твёрдого тела, кристаллохимии, химической термодинамики и материаловедения и использующей методы этих наук. Применяет разнообразные методы получения материалов: высокотемпературное спекание на воздухе и в вакууме, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, термобарический и механохимический синтез, плазмохимический синтез и зонную плавку, химическое и физическое осаждение из газовой фазы, золь-гель синтез, химическое осаждение из растворов. Химия твёрдого тела использует все физические и физико-химические методы изучения твёрдого тела (оптическая микроскопия, магнетохимия, калориметрия, термоанализ, спектроскопия – ультрафиолетовая, видимая, инфракрасная, рамановская, рентгеновская фотоэлектронная, Оже), особое внимание уделяется исследованию кристаллической структуры и микроструктуры (рентгеновская, нейтронная и электронная дифракция, диффузное и малоугловое рассеяние, ЯМР, поляризационная и флуоресцентная оптическая микроскопия, электронная сканирующая и просвечивающая микроскопия). Электронное строение твёрдых тел изучается с применением объёмных и поверхностных экспериментальных методов, с помощью квантово-химических расчётов.

Историческая справка

Алхимическая догма «тело не деятельно, если оно не жидкое» была руководящей установкой для химиков до конца 19 в. и затормозила исследования химических реакций в твёрдом теле. Основы химии твёрдого тела заложили А. Муассан, впервые начавший исследовать свойства твёрдых веществ при высокой (до 1000 °C) температуре, и Д. К. Чернов, установивший связь структуры и свойств сталей и сплавов с горячей механической и термической обработкой.

Термин «химия твёрдых веществ» ввёл в научную практику в 1902 г. российский химик Ф. М. Флавицкий, наблюдавший протекание твердофазных реакций при механической обработке порошков. Соответствующий англоязычный термин solid state chemistry появился в 1928–1930 гг. Наибольший интерес к проблемам твердофазных взаимодействий и превращений в 1900–1920-х гг. проявили Н. С. Курнаков, немецкие химики Г. Тамман, К. Тубандт.

Открытие дифракции рентгеновских лучей (М. Лауэ, 1912), применение кристаллографии и создание кристаллохимии (В. Гольдшмидт, А. В. Шубников, Н. В. Белов), использование физико-химического анализа (Н. С. Курнаков) явились важнейшими этапами исторического развития химии твёрдого тела. Важную роль в становлении химии твёрдого тела сыграли работы по теории точечных дефектов в кристаллах (Я. И. Френкель, 1926; В. Шоттки и немецкий физикохимик К. Вагнер, 1930), по зависимости реакционной способности твёрдых тел от типа и концентрации дефектов (К. Вагнер, 1930–1940), по описанию твердофазных реакций и равновесия дефектов с помощью квазихимического метода (нидерландские физики Ф. Крёгер, Х. Винк, 1956–1964), по расчёту равновесных фазовых диаграмм упорядочивающихся систем методом вариации кластеров (японский физик Р. Кикути, 1951), термодинамическими методами Termo-Calc и CALPHAD (шведский физик Б. Сундман, 1980), методом функционала параметров порядка (российские физикохимики А. А. Ремпель и А. И. Гусев, 1988). В СССР официальное оформление химии твёрдого тела как самостоятельной научной дисциплины происходило в 1960–1980-х гг. и связано с научной деятельностью коллективов, руководимых В. В. Болдыревым, Ю. Д. Третьяковым и Г. П. Швейкиным.

Развитию химии твёрдого тела способствовали такие открытые во второй половине 20 в. явления, как высокотемпературная сверхпроводимость, суперионная проводимость, гигантское магнитосопротивление. Применение компьютерной техники привело к появлению компьютерного материаловедения и компьютерной квантовой химии твёрдого тела.

Практическое значение

Развитие химии твёрдого тела идёт в направлении создания материалов для биологии и медицины, способствующих сохранению здоровья и улучшению качества жизни человека. С целью эффективной и энергосберегающей переработки минерального сырья развиваются методы «зелёной» химии твёрдого тела, призванные сохранить окружающую среду. Для решения проблем экологии разрабатываются фотокатализаторы для очистки сточных вод и промышленных выбросов в атмосферу от вредных примесей. Для экономии энергии и природных ресурсов развиваются методы синтеза и дизайна новых источников света, солнечных элементов, термоэлектриков, фотокатализаторов для получения водорода из воды, твердооксидных мембран, твёрдых электролитов. Одно из основных направлений современного развития химии твёрдого тела – переход к синтезу, изучению и применению твердофазных веществ и материалов в наноструктурированном состоянии, к созданию нанотехнологий, позволяющих получать наноструктурированные материалы с атомарной точностью.

Представления, развиваемые химией твёрдого тела, находят широкое применение в синтезе и технологии новых неорганических материалов (керметов, композитов, сверхпроводников, суперионных проводников), микроэлектронике, наноэлектронике, фотонике и биосенсорике. Все разделы химии твёрдого тела, связанные с изучением разных классов химических соединений и веществ, имеют широкое практическое применение. Традиционные конструкционные и функциональные материалы, разрабатываемые с помощью химии твёрдого тела, предназначены для всех отраслей промышленности; особо твёрдые и прочные, легкоплавкие и тугоплавкие материалы востребованы обрабатывающей, строительной и электронной промышленностью и промышленными отраслями, связанными с космической деятельностью.

Синтез и изучение твердофазных материалов для гетерогенного катализа способствуют появлению и развитию новых химических технологий. Исследования в области твёрдых электролитов и суперионных проводников служат основой для разработки новых типов аккумуляторов, сверхъёмких конденсаторов, топливных элементов для водородной энергетики. Создание материалов для термических панелей и полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей направлено на экономичное преобразование солнечной энергии в электричество, а применение новых материалов в светодиодных устройствах обеспечивает экономию электроэнергии. Формирование частиц заданных размера и формы самых различных материалов начинает активно использоваться в таких развивающихся аддитивных технологиях, как 3D-принтирование и послойная рулонная технология. Создание наноструктурированных веществ и материалов различного назначения служит основой современной наноэлектроники и фотоники.