Нанокла́стер, ансамбль однородных или разнородных атомов или молекул, имеющий характерные размеры порядка нескольких единиц нанометров (чаще всего 1–3 нм), находящиеся в промежутке между размерами отдельных молекул и размерами наночастиц. Количество атомов в различных нанокластерах варьируется от нескольких единиц до нескольких тысяч.

Часто в научной литературе термин нанокластер относят к металлическим кластерам, состоящим из металлического ядра (с количеством атомов более 2, связанных между собой металлической связью) и внешней оболочки, которая стабилизирует частицу. В качестве внешней оболочки могут выступать функциональные группы (-CN, -CH₃ и др.) или лиганды (CO, Hal, NO и др.), связанные координационной связью с металлическим ядром.

При этом термин «нанокластер» может быть использован по отношению к неметаллическим соединениям (бораны, карбораны, фуллерены и др.), где атомы в ядре нанокластера соединены между собой ковалентными или ионными связями, или к атомам или молекулам, связанным между собой ван-дер-ваальсовыми или водородными связями (например, кластеры воды).

Основные отличия нанокластеров от молекул заключаются в следующем:

• размер и состав нанокластеров может легко изменяться в широких пределах, а у молекул он фиксирован;

• молекулы имеют гораздо меньше изомеров, чем нанокластеры;

• связь в молекулах – ковалентная или ионная; в нанокластерах может быть ковалентная, ионная, ван-дер-ваальсовая, металлическая или другая связь;

• молекулы слабо взаимодействуют между собой и не склонны к агрегации; нанокластеры склонны к агрегации и взаимодействуют между собой, как сильно, так и слабо.

Отличие нанокластеров от наночастиц заключается в том, что при добавлении одного атома к нанокластеру его свойства изменяются немонотонно. С увеличением числа атомов или молекул нанокластер переходит в наночастицу, причём добавление атома или молекулы не приводит к резкому изменению свойств. Переход в наночастицу осуществляется примерно при количестве атомов 10⁴–10⁵.

Для синтеза нанокластеров используют следующие методы: химическое осаждение с контролируемой нуклеацией, конденсация из газовой фазы, твердотельные химические реакции, криохимический синтез, матричный синтез, электрохимический синтез и др.

При синтезе нанокластеров образуются преимущественно частицы с определённым числом атомов. Эти числа называют магическими. Магические числа определяют структуру наиболее стабильных нанокластеров. Значения магических чисел зависят от многих факторов и могут существенно изменяться в зависимости от природы нанокластера, его размера и валентности. Есть два основных фактора, определяющих устойчивость нанокластеров: электронный и геометрический. Каждому соответствуют свои ряды магических чисел.

Геометрический фактор определяет такую структуру нанокластера, при которой доля поверхностного слоя минимальна (икосаэдр или додекаэдр) и взаимодействия атомов наиболее скомпенсированы. Для нанокластеров характерна плотнейшая упаковка, состоящая из множества касающихся друг друга сфер, при этом каждый атом окружен 12 «соседями» (что компенсирует избыточную энергию атомов).

Электронный фактор определяет такую структуру нанокластера, при которой число валентных электронов и их распределение соответствуют количеству и распределению электронов атома с полностью заполненной оболочкой. Нанокластеры щелочных металлов и серебра склонны к образованию частиц с электронными магическими числами, особенно при малых размерах. При увеличении размера частицы большее влияние приобретает геометрический фактор.

Нанокластеры переходных металлов имеют более сложное строение. На их структуру влияют электронный, геометрический факторы, структура d- и f-орбиталей и валентность атомов.

Нанокластеры обладают уникальными оптическими (фотолюминесценция, нелинейные оптические свойства), электрическими, магнитными, химическими и другими свойствами. Уникальность свойств достигается за счёт проявления квантовых эффектов и наличия высокой доли атомов на поверхности нанокластера.

Квантовые эффекты влияют на электронные свойства нанокластеров – происходит ограничение движения электрона в пространстве и, его энергетический спектр становится дискретным, причём чем меньше размер нанокластера, тем больше расстояние между энергетическими уровнями. На этом основан принцип работы квантовых точек – регулируя их размер, можно регулировать цвет испускаемого квантовой точкой света.

Наличие высокой доли поверхностных атомов (10–100 %) в нанокластерах сильно влияет на свойства нанокластеров, т. к. атомы на поверхности обладают избыточной нескомпенсированной энергией. Из-за высокой доли поверхностных атомов значительно повышается химическая и каталитическая активность нанокластеров, изменяется температура плавления (за счёт увеличенных амплитуд колебания поверхностных атомов) и температура полиморфного превращения, образуются метастабильные фазы или фазы, нехарактерные для объёмного материала (за счёт перехода в фазу с более плотной упаковкой), уменьшается теплопроводность (за счёт уменьшения длины свободного пробега фононов) и др.

При уменьшении размеров ферро- и ферримагнитных частиц до размеров нанокластеров начинает проявляться суперпарамагнетизм, т. е. частицы переходят в однодоменное состояние.

Нанокластеры применяются в катализе – в качестве высокоэффективных катализаторов, в медицине – в качестве биомаркеров для визуализации внутренних структур тела человека, а также в устройстве химических фильтров, оптических сенсоров и др.