团簇物理化学

clusters physicalchemistry由几个、几十个到上百个原子或分子，依靠化学键力或其他粒子间引力维系在一起，成为纳米大小的聚合体，称为团簇或微团簇（microcluster）。研究团簇的结构、制备、物理化学性质的科学，就是团簇物理化学。 团簇研究的历史很短，实际上人们在20世纪80年代才重视这些细小的聚合体。它们的存在状态独特，处于微观体系向宏观体系的过渡阶段中，其制备方法到物理化学性质，均有明显特点：既不同于单个的原子分子，也很不同于液态固态下的物质。所以团簇研究属于多学科交叉的范围：其中主要的是原子物理、量子化学、凝聚态物理、表面化学、材料科学等。从这些学科引入的概念和方法，交织起来，构成了团簇物理化学研究的一些主题。 随着团簇研究的发展，已开拓出一个全新的物理化学领域：①理论上确定了团簇的结构，可沿一螺旋线排列其结构顺序，称为生长螺旋，它是联接微观宏观的桥梁：团簇中和大块材料有不同的原子排列，应可找到这种转变的关节点，并在此点附近观察到特殊规律。②团簇制备目前用离子溅射，激光蒸发，超声气流中膨胀，气体放电等，都经历冷却过程，所以结构中具有有序化特征：位置序对经典粒子是特征，动量序对德布洛衣波是特征。检查粒子间距是否达到德布洛衣波波长的量级，可确定哪种居主导地位。已知常温下原子离子团簇位置序为主导，但低温下轻元素如氦（He）的团簇，很可能出现另一种情况。③团簇有壳层结构，其粒子中原子个数达到某些数值时，团簇粒子特别稳定，称作幻数。如氙的幻数有13，19，25，55，71，87，147等等；碳则有20，24，28，32，36，50，60，70等。④由结构特点派生的性质上的特点如电子能级由分立向能带过渡，细小的金属团簇粒子可丧失导电性而原子数多时又会出现能带结构；不同大小的半导体、非导体团簇也会有特别的性质，如隧道效应、超晶格效应可能显著，光谱宽化、多变；如果未配对电子大量增加，磁性可能增强。团簇粒子微小，表面很大，难分表面相和体相，液态固态界面消失，成为一种新聚集态。表面大时，不饱和键外露必多，化学活性、催化活性会很强，如果形状适当，还可能有高选择性。已经发现铁团簇中，只有Fe4能使乙烯催化生成苯就是一例。1985年由激光蒸发法制成C60团簇成为化学界盛事。60个C原子由五元环、六元环联结成足球那样的多面体，具有高度对称性。它的出现首先把量子化学推向新阶段。实验化学家预期C60将开创一个“球形有机化学”新领域（像19世纪发现苯那样）。物理学家们发现掺K，Rb的富氏体（以C60为主的一种物质）是超导材料（Tc =28K），这是除氧化物外另一种高Tc超导材料，显示了团簇作为新型材料开发的潜力。 不久的将来，团簇物理化学可能在如下方面获得重要成果：①团簇的组成和结构（包括原子排列、电子结构）；②制备团簇的动力学动态学问题，如成核过程以及特殊的方法制备特殊的团簇（如片状、管状、空心球状团簇）；③研究各类团簇的性质包括力学、电学、光学、磁学性质以及化学性质表面性质，从而开发它们的应用。 引起众多化学家和物理学家注意的团簇科学，必将在21世纪大放异彩。 （金安定）