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原子团簇

原子团簇是处于表面的原子比例极高,而表面原子的几何构型、自旋状态以及原子间作用力都完全不同于体相内的原子。原子团簇(atomiccluster)的产生,团簇的结构和物理性质,基于原子团簇的纳米结构的组装,团簇束流用于纳米结构表面的制备,团簇组装纳米结构的物理性质。 [1]

通常把仅含有几个到几百个原子或尺寸小于1nm的粒子称作”簇”,它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。原子或分子团簇(简称团簇或微团簇)是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体,其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围,用无机分子来描述显得太大,用小块固体描述又显得太小,许多性质既不同于单个原子分子,又不同于固体和液体,也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。因此,人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次,是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态,或者说,代表了凝聚态物质的初始状态。

原子团簇独特的性质源于其结构上的特点,因其尺寸小,处于表面的原子比例极高,而表面原子的几何构型、自旋状态以及原子间作用力都完全不同于体相内的原子。材料的性质与内部单元的表面性质息息相关。例如仅仅通过调节团簇的大小,物质特性就有极大的不同,10 个铁原子的团簇在催化氨合成时要比17个铁原子的团簇效能高出1000倍。

伴随着尺寸而来的另一效应是量子效应,原子团簇的研究即证明了许多量子力学的假设和预言,提出了无数更有趣的新问题。例如在由纯金属原子组成的多面体团簇中,只有当原子数是“幻数系列”,即为2、8、20、28、50、82、126……时,结构才是稳定的,甚至在加热到液态时也不会被破坏。同样的“幻数系列”在元素周期律中早已为人所知,但其理论解释至今仍无定论。

团簇广泛存在于自然界和人类实践活动中,涉及到许多许多物质运动过程和现象,如催化、燃烧、晶体生长、成核和凝固、相变、溶胶、薄膜形成和溅射等,构成物理学和化学两大学科的一个交叉点,成为材料科学新的生长点,目前,纳米球作为一种新型的原子团簇,已经广泛应用于机械润滑领域,技术相对成熟。团簇科学属于多学科交叉的范畴。从原子分子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学、材料科学等学科的概念及方法交织在一起,形成了当前团簇研究的中心议题,并正在发展成为一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科。


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