“超原子”開(kāi)啟納米顆粒能量之窗

　　來(lái)自喬治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology，亞特蘭大）、斯坦福大學(xué)（Stanford University，加州）、Jyv?skyl?大學(xué)（the University of Jyvskyl，芬蘭）和查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology，瑞典）的研究人員發(fā)現了微小磁性金納米團簇的穩定性與電子特性背后的原理。金和硫原子以特定數目和極其對稱(chēng)的幾何形狀聚集在一起，能夠模擬其他元素單個(gè)原子的化學(xué)性質(zhì)。研究人員發(fā)現這些團簇是穩定的，因為它們可以像“超原子”一樣發(fā)揮作用，并且具有“分組與保護”的鍵接結構。

　　根據喬治亞理工學(xué)院的物理學(xué)院和化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院Robert Whetten教授介紹，盡管金納米顆粒廣泛應用于許多領(lǐng)域，但是無(wú)人能完全了解它們的分子結構和生理化學(xué)特性。研究人員使用金納米顆粒，主要是因為其穩定性和獨特的光學(xué)、電子、電氣化學(xué)和生物標記特性。

　　2007年，斯坦福的研究人員首先報道了對金團簇的第一份測定結果，該團簇由102個(gè)原子組成。其X-射線(xiàn)結構研究表明，有機硫（硫醇基）基團從金層中提取金原子，形成一個(gè)線(xiàn)性的硫醇基-金-硫醇基橋，同時(shí)微弱地與底層金屬表面相互作用。形成了一個(gè)圍繞著(zhù)納米顆粒的“保護性外殼”，這與硫原子只能在最上層金層之上并與三個(gè)臨近的金屬原子結合的觀(guān)念相抵觸。這樣首次獲得了原子坐標——在某一團簇中所有原子的位置。

　　102個(gè)原子組成的金團簇“超原子”具有一個(gè)由79個(gè)原子組成的核心，這些原子形成一個(gè)截斷的十面體。圍繞這個(gè)核心，23個(gè)金原子連著(zhù)硫醇基。研究結果證實(shí)了“分組與保護”結構，也就是說(shuō)金原子自身分成兩組——構成金屬核心的原子和保護該核心的原子。

　　在團簇中，每個(gè)金原子貢獻一個(gè)價(jià)電子。其中44個(gè)電子中被固定在金原子與硫醇基之間的化合鍵中，剩下的58個(gè)填充在一個(gè)圍繞這個(gè)超原子的電子殼層上。因為團簇無(wú)需添加或減少電子，所以結構穩定。除此之外，還有一個(gè)主能隙。“對于由102個(gè)原子組成的化合物，在最高占據的分子軌道與最低未占據的分子軌道狀態(tài)之間，能隙非常顯著(zhù)：據計算為0.5 eV。通常金屬的能隙為0。”Whetten表示，并補充說(shuō)這意味著(zhù)非典型的電子穩定性。

　　研究人員對于這種結構的化學(xué)鍵接、化學(xué)結構和電子原理的本質(zhì)曾經(jīng)進(jìn)行了多年的觀(guān)察。但并未完全了解常見(jiàn)的含硫分子是如何結合到金屬金上的；并且不為人所知的是，如此巨大的金屬團簇具有分子級的精度，而不是形成一個(gè)任意形狀的集合體。令人驚訝的是，像金銀這樣的薄層普通金屬，對其化學(xué)和應用金屬化學(xué)特性仍知之甚少。

　　該研究打開(kāi)了一扇大門(mén)，可能出現其他驚人的發(fā)現。“在這個(gè)復合物中58個(gè)電子的行為似乎與軌道細節無(wú)關(guān)，它們就像是一個(gè)巨大超原子的一部分，遵循自身電子殼層結構。”Whetten說(shuō)道，“這些電子進(jìn)入一種精密模式并且在最高占據能級和最低未占據能級之間打開(kāi)了巨大的能隙。形成的結果似乎在周期表中具有10個(gè)電子的氖到具有1個(gè)電子的鈉之間；存在更高的電子穩定性。”