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高科技材料專題(二):超原子?超級的原子?

103/04/08 瀏覽次數 10062
溫和的原子總是規矩地做著自己的事情,也許是轉移一些電子,或是形成分子。但有時,當他們聚集成像是團簇或樹狀物這種超原子的結構時,有時會表現出新穎的性質。

超原子是原子或分子的安定聚集,可以視為是另一種新的型態,具有獨特、類似原子的性狀。當超原子在進行反應或當成其他物質的原料時,它的行為就像個原子,能夠保持自己的完整性。例如Al13-這個超原子。這個團簇的鍵結軌域有點類似原子軌域,其40個價電子填滿了一個殼層,使得Al13-的性質就像是惰性氣體。然而若移去一個電子,使Al13-變成Al13,其行為又變得像個鹵素喜歡搶奪電子。

 因為這種無機超原子團簇的價分子軌域,類似他們模擬元素的原子軌域,因此獲得了不尋常的性質。賓州州立大學的卡斯爾曼教授(A. Welford Castleman Jr.)稱這個現象為「電子上與另一者等價」。他指出,氧化鋯和氮化鈮就是與鉛等價的超原子。儘管元素組成不同,藉由光電子能譜測定,這3者確實具有相似的電子性質。而且在添加氧形成PdO和ZrO2,或 PdO+和ZrO2+後仍然保有性質的相似性。也因此,這些無機超原子具有催化反應的能力。更仔細分析後,卡斯爾曼教授說,這些團簇的化學性質和鉛催化劑「幾乎完全一樣」。而且他相信這種以超原子為基礎的物質將來有潛力取代現有內燃機用的鉛催化劑。

另外,卡斯爾曼教授和維吉尼亞聯邦大學的卡那教授(Shiv N. Khanna)也在研究As73–團簇,一種安定、似磷的超原子構件,他可以與鋰、鉀、銣、銫等連結形成團簇聚集。這個聚集是種半導體,依照研究人員使用的元素和結構,他們可以用於電子產品上。卡那教授說,超原子構件與連結子,包含有機配位連結子,藉由形成許多不同的組合,可以設計超原子聚集並且客製化其性質。

2013年,卡那教授也和約翰·霍普金斯大學的鮑文教授(Kit H. Bowen Jr.)一起合作製備出了具有磁性、性質類似錳的超原子VNa8 和VNa7,和類似鉻的VNa8 和 VNa9(V:釩、Na:鈉)。這些團簇強烈的自旋磁矩使得他們可以利用電子自旋,而非電荷,儲存資訊,應用於電子自旋裝置。

正當卡斯爾曼教授和卡那教授觀察團簇的價電子、定義超原子的活性時,奈米合成子有限責任公司創辦人兼執行長的托馬力亞博士(Donald A. Tomalia)則是藉由大小、形狀、彈性、和表面化學定義出軟聚集超原子。托馬力亞博士認為,金屬團簇,和奈米結晶、奈米粒子、富勒烯及奈米碳管,都是「硬」超原子。但是他發現,有機、或是「軟」的,樹狀聚合物、奈米乳膠、高分子微胞、蛋白質、病毒外殼、甚至是RNA、DNA具有讓他們行為上類似超原子的性質。

例如樹狀聚合物。樹狀聚合物是一種重複分支的分子,通常會有一個核心形成對稱、球狀的型態。他以類似洋蔥層的分支循環合成;一層稱之為一代。托馬力亞博士把樹狀聚合物的核心比擬成一個原子核,代層則類似電子殼層。如果一代被填滿且最外面的殼層被完整的功能化,那它可以是惰性的。但如果最外面一代不完整且分支有缺漏,樹狀聚合物便傾向以超原子的方式形成雙子,就像兩個氯離子形成Cl2

然而卡斯爾曼教授深感困惑,什麼樣的元素或團簇可以、或不可以形成超原子?目前看來,具有s、p及d軌域的元素可以有效的雜合形成超原子。但有f軌域的似乎傾向不形成超原子。

另外,卡那教授也說,雖然超原子定義上來說很安定,但目前他們只能利用雷射蒸發技術少量製造、而且是氣態的超原子。距離發展出大量製備方法仍有一段路要走。

1800年代周期表的出現讓化學家可以預測元素和分子的性質和結構。2009年,賓州大學的佩賽克(Virgil Percec)化學教授,依據組成物的大小、形狀、彈性、和表面化學創造出超原子樹狀物聚集的「奈米周期表」。西北大學的默金(Chad A. Mirkin)化學教授也在2011年發表了一組從DNA和黃金奈米粒子製備出膠態晶體結構的設計規則。了解超原子的行為不僅可以幫助我們更了解奈米結構,研究人員也期待最終可以如周期表般定位出超原子的性狀,那將可以指引我們找出新的催化劑、物質、或其他應用。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿/2013年11月)

責任編輯:王名儒|國立臺灣大學物理學系

名詞註解:
  1. 團簇(cluster)
  2. 樹狀物(dendrimer)
  3. 等價(isovalent)
  4. ZrO (氧化鋯)
  5. NbN(氮化鈮)
  6. 連結子(linker)
  7. 有機配位連結子(organic ligand linkers)
  8. 旋磁矩(spin magnetic moments)
  9. 電子自旋裝置(spintronic devices)

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