团簇

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。团簇是材料尺度纳米材料的一个概念。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小，用小块固体描述又显得太大，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。

研究对象团簇科学研究的几个主要方向是：

（1）研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数和几何结构、稳定性的规律；

（2）研究团簇的成核和形成过程及机制，研究团簇的制备方法、尤其是获取尺寸均一与可控的团簇束流；（3）研究金属、半导体及非金属和各种化合物团簇的光、电、磁、力学、化学等性质，它们与结构和尺寸的关系，及向大块物质转变的关节点；

（4）研究团簇材料的合成和性质；

（5）探索新的理论，不仅能解释现有团簇的效应和现象，而且能解释和预知团簇的结构，模拟团簇动力学性质，指导实验；

（6）发展新的方法对团簇表面进行修饰和控制。

团簇材料团簇是介于原子、分子与大块材料之间的一种物质状态，与纳米材料和微粒并无严格概念上的界限，只是传统意义上的研究侧重面不一样。基于团簇的新材料，新团簇材料的制备及性能研究是团簇走向应用的主要途径之一，是人们极感兴趣的团簇科学的一大课题，一-般的团簇颗粒大小在纳米量级，必会伴随很强的量子限制效应，导致许多新现象和新性质的出现，新团簇材料的研究尚处于发展阶段，主要集中在其物理性质研究方面。

(1)硅、锗、碳等IV族元素团簇嵌入玻漓、沸石、氟化锉等基质中，会出现光学频移、非常的激子态、振转态、电子态及电子输运等量子受限特征，团簇材料随尺寸变化的电子态特征尤其使人感兴趣，如多孔硅发光受限Cd和Se等团簇的发光蓝移及碳球团簇光致发光等。

(2)团簇材料的非线性响应及超快弛豫特征。例如，澳化亚铜及气化亚铜团簇的三阶光学非线性系数随尺寸变化有一最大值，并发现其激子相干态的飞秒弛豫现象，具有非常的催化性质的金属团簇在飞秒域的振荡弛豫特征等。

(3)纳米尺寸金属团簇间的自合金化。

(4)过渡金属团簇材料的奇异磁性质。例如，Fe .Ce、Ni等团簇比块材料有较大的磁矩，而Gd，Tb，Dy等团簇比块材料的磁矩要小，有趣的是，Mb块材料没有磁性而在团簇状态却有很大的磁矩。

团簇沉淀在晶体表面会与表面发生相互作用，直接影响自由团簇的结构和状态，导致其化学活性的变化，这方面研究的技术主要有透射电镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜、射线衍射、激光拉曼光谱、光吸收、光发射等。气相团簇与表面碰撞研究内容包括物质的能量、电荷的交换结构和活性的变化等。通过这些研究有助于认识这一领域的基本规律,这方面的主要研究手段当推反射式飞行质谱技术。同时，尺寸选择的离化团簇成膜新技术对基础和应用研究所需的团簇膜材料的制备都是极其重要的。团簇广泛地存在于自然界各种过程，如宇宙尘埃的形成和演化、大气烟雾的成核和凝聚、燃烧中元素合成和分解等。但是，用人工方法制备和检测团簇是团簇研究和应用的基础。人工产生团簇的基本方法可分为物理制备法和化学合成法，按生成条件又可分为真空、气相和凝聚相合成。不同研究的所采用的团簇合成方法也不同。1

原子团簇人们把团簇看成介于原子、分子与宏观固体之间物质结构的新层次或新凝聚态，即介观层次，是各种物质由原子、分子向体相物质转变的中间过渡态，或者说代表了凝聚态物质的初始态。

(1)幻数。具有特殊数目原子或分子的团簇特别稳定，这个数目叫做幻数。不同的元素或化合物的幻数序列不相同，表明其物理根源有差异。

(2)团簇的性质。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，只有当原子数目是“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，但其理论解释仍无定论。2

团簇研究意义团簇科学研究的基本问题是弄清团簇如何由原子、分子一步一步演化而成，以及随着这种演化，团簇的结构和性质如何变化，具体当尺寸多大时，过渡成宏观固体。团簇科学处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、结构化学、原子簇化学、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。

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。

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学