什么是团簇?团簇的基本概念

2020-08-17 11:59:38 湖南赛西 12


团簇是由几个乃至几千个原子或分子通过一定的结合方式组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体。团簇的空间尺度一般为几埃至几百埃。


当这些聚集体的尺寸达到纳米量级的时候,一般不再称为团簇,而称为纳米粒。团簇的物理、化学性质既不同于单个原子、分子,又不同于相应的宏观固体或液体材料,也不能通过二者性质的简单线性外延或内插得到,并且一般随体系包含的原子、分子数目的变化而变化。


其基本原因为:一方面,一个固定原子数目形成的团簇,从外观而言,可以视为一个坚固的碎片,而这样的碎片在研究固体材料时是可以忽略的(然,详细研究固体表面性质的时候,一般不应该忽略);另一方面,团簇和块体材料性质之间的差异也来源于团簇中限制电子运动的势的狭小空间。在这种情况下,电子的填充是分离的,而不像块体材料中是连续分布的。


当然,这两方面有其内在的联系。团簇相比于普通的分子,更容易添加或失去小颗粒,这一点类似于块体材料。此外,对于某一特定尺寸的团簇而言,它们的结构是多种多样的,甚至可能会出现大量的异构体。团簇可能包含一种元素,或者具有一种构型,又或者可能由多种元素不定量地组成,又或者介于二者之间。


正如所知的,团簇可能通过各种各样的力聚合在一起,因此,人们往往将团簇视为介于微观原子、分子与宏观凝聚态物质之间物质结构的一个新层次,称为物质的“第五态”可以利用已经发展成熟的各种研究分子的方法来研究团簇,从而帮助理解团簇是如何与它们的微米尺度的兄弟一凝聚态块体物质联系起来的,也就是团簇是如何一步一步地生长成为块体材料的,它们是如何过渡的。


接下来将对一些已知的团簇结构和性质进行总结,并介绍在此领域内已经被广泛接受的理论和内容。早在20世纪70年代,第一个有关团簇的理论工作被R.Kudo提原子分子团簇已经持续成为一个实验上和理论上的研究热点。另一个引领团簇研究的是分子动力学模拟21,尽管实际上真正起作用的是利用统计取样方法( Statistical Sampling Method),也就是大家熟知的蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method)3通过求解运动方程的方法和原则来进行分子动力学计算是非常可行的,而这种分子动力学的方法是由b.j. Alder和T.E. Wainwringht建立的14-16。


这是一个至今进行热动力学模拟最有效的方法,也正是此方法,才使理论特别是分子模拟团簇的结构和性质的研究进入了新的高潮。有时,它往往早于实验就开始对某些体系进行理论和计算研究,从而为实验提供一定的支持和突破。从实验方面研究团簇实际上出现在20世纪60年代,尽管刚开始不如理论和计算研究团簇发展迅速,但是,在接下来的几十年中发展迅猛。


有关带电团簇的综述就出现在这一时期18。但是,随后团簇研究的热潮有所回落。这可追溯到20世纪30年代的有关纯气体团簇结构的研究。在那一时期,尽管没有特别直接地关注团簇,但是理论研究也已经放在有限尺寸的效应上了1921。今天有多种方法来产生团簇,这一点依赖于我们想寻求什么信息及是什么力将团簇聚合在一起。


一方面,几乎所有常见的研究团簇的方法均应用在实验室中,也就是说必须在一个受保护的环境中运行程序,基本上是真空室。可以利用高能离子轰击块体材料,从而得到原子的聚集体,也就是团簇。也可以在一定气体压强下,通过一个小孔或喷嘴推进蒸汽,接着冷却蒸汽,从而形成团簇。


可以利用惰性气体作为载体,从一个炉中清除出金属或半导体蒸汽,接着载着它们通过一个喷嘴在一个团簇形成的温度下冷却金属蒸汽,但是却留下可视为自由分子的惰性气体。可以研究气相下的团簇,也可以将团簇淀积在一个衬底表面上22],甚至可以在一个固体中淀积和跟踪它们。可以通过提供它们带有电荷的结构信息来检验这些团簇23,24,或者研究它们是如何对辐射反应的。


利用紫外线可以离子化或分离团簇(利用质量分光仪25)并且决定产生什么样的种类,或者可以决定产生团簇的能量的26~33,也可以采用普通的光谱来决定团簇吸收了怎样的辐射波的波长,是否是红外线13435,或是可见光的,或紫外线的136,37。通过其他方法,可以在计算机上模拟计算团簇36,37]的行为,如动力学或热力学行为,不论是作为经典颗粒,还是作为量子颗粒的聚集体。这些方法均被证明能可行有效地帮助我们认识团簇、理解团簇时至今日,仍然有大量的工作正在进行,用于研究团簇。


赛西新闻
家报介绍
可燃气体探测器
可燃气体报警器