原子团簇科学研究进展
团簇物理研究
团簇物理研究王丽丽摘要：团簇物理在发展过程中，从原子核物理、凝聚态物理和原子分子物理等学科引入了许多概念和方法，构成团簇研究的中心议题，逐渐形成一门介于原子分子物理与凝聚态物理之间的交叉学科。
文章对团簇物理作了简单介绍，从团簇的概念、发展史、研究范畴到它的性质、研究方法。
作为一个初学者，利用gussian03程序包对二、三小原子团簇的结构进行了计算，算出了键长与键角并分析了它们的结构。
关键词：团簇，gussian03，团簇结构，密度泛函理论（DFT）模型STUDY ON CLUSTER PHYSICSAbstract: In the development of claster physics many concepts and methods have been introduced from atomic and molecular physics ,nuclear physics and matter physics , forming an interdisciplinary field between atomic and molecular physics on the one hand and condensed matter physics on the other .Key words: claster ,gaussian03, structure of claster, DFT1、引言团簇的研究开始于上个世纪七十年代，到了八十年代有了较大的发展。
由于团簇的知识构成的特殊性，即它是从原子分子物理、凝聚态物理、表面科学、量子化学、材料科学，甚至核物理学引入了概念和方法，构成其知识框架。
所以团簇物理是一门交叉学科，它的研究需要掌握原子分子、量子化学、凝聚态、电子计算机技术等一系列的知识。
在前一阶段的调研中我阅读了王广厚的《团簇物理学》，这本书较全面的介绍了团簇的合成、结构、性质等，还有四川大学毛华平的博士学位论文《金、铜、钇小团簇的几何结构、势能函数、能级分布和电子特性研究》等一些文章涉及到团簇的性质的研究，对于结构的计算只是简单介绍而没有具体阐述。
记“碳原子团簇的形成研究”
记“碳原子团簇的形成研究”2月27日，中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会，在颁布的2006年度国家科学技术奖励获奖人选和项目中，厦门大学有两个项目同时获得国家自然科学奖二等奖。
其中一个就是由中科院院士、厦大化学化工学院教授郑兰荪领衔,黄荣彬,谢素原,吕鑫,高飞共同完成的“碳原子团簇的形成研究”。
对外人而言，碳原子团簇究竟是什么东西？要搞清楚中科院院士、厦大化学化工学院教授郑兰荪领衔的“碳原子团簇的形成研究”，课题组的谢素原老师说，要从碳谈起。
在纯碳家族中，没有人不熟悉石墨和金刚石的。
它们都是自然界中的纯碳，含碳量均是100%。
由于碳原子排列形式不同而生成了不同的形态和性质：石墨漆黑而硬度很小，金刚石无色透明而硬度极大。
像石墨、金刚石这样由同一元素组成而又性质不同的物质，被称为“同素异形体”。
然而，20世纪80年代中期以来，科学家们发现碳还存在第三种同素异形体，它就是C60，后来又发现C20、C50等，它们被统称为“富勒烯”。
富勒烯是由若干个六元环和12个五元环组成的笼状的全碳分子，其中C60具有足球形的完美的对称结构。
自C60之后，多种比C60更大的富勒烯分子如C70、C80等相继合成出了可分离量的产物，产由此表征了结构。
然而比C60小的富勒烯分子却迟迟未能明确无误地合成与表征，这是由于比C60小的富勒烯必然含有相邻的五元环，十分活泼而不稳定。
厦门大学的研究人员自上世纪80年代就开始了碳原子团簇的激光产生与研究。
进入90年代中期，他们又根据学科的发展，开展了新型团簇的宏观量制备，先后合成、分离并结构表征了C20Cl10等一系列氯代碳簇，这些碳簇的结构实际上就是富勒烯的碎片。
在此研究基础上，他们在5年前将研究的重点集中到C50Cl10，在Kr?tschmer等发明的制备C60的石墨电弧方法的氦气氛中，引入了四氯化碳作为氯源，以此捕获和稳定高度活泼的C50分子。
历经3年艰辛的努力，合成了约100克粗产物，用高效液相色谱进行多轮制备分离，最后一轮的纯化工作得到中科院化学所的大力协助，采用专用的C60分离设备，最终分离和纯化出毫克量级的C50Cl10。
碳原子团簇的形成研究
第40卷 第2期厦门大学学报(自然科学版)V o l.40 N o.2 2001年3月Jou rnal of X iam en U n iversity(N atu ral Science)M ar.2001 文章编号:043820479(2001)022*******碳原子团簇的形成研究黄荣彬,谢素原,邓顺柳,郑兰荪(固体表面物理化学国家重点实验室,厦门大学化学系,福建厦门 361005)摘要:碳原子团簇的生长过程及其富勒烯的形成机理,是近十余年来科学界孜孜以求而又一直无法求解的难题.虽然有关研究人员先后提出了可能的机理,但是至今没有一种得到实验结果的证实.本研究组就此作了积极的探索和较深入的研究,创新和发展了多种形成和研究碳原子团簇的方法,精心设计了一系列实验,综合运用多种研究手段,明确了氯原子存在下碳簇的生长过程,发现了氯原子等自由基对富勒烯形成的催化作用,总结了碳等原子团簇形成的统计分布规律,表征了C60的聚合和坍塌过程,在碳原子团簇的形成研究中取得重要进展.关键词:碳原子团簇;形成;氯原子中图分类号:O624文献标识码:A 原子团簇是人类新发现和认识的一个特殊的物质层次,对原子团簇科学的研究,已经成为当今最为活跃的前沿学科之一.碳是人类最早认识的化学元素,但是C60等富勒烯的发现,使人们对碳又有了新的认识,并因此开辟了一个全新的研究领域.自90年代以来,投入富勒烯等碳簇研究的科学家之多,涉及的学科面之广,发表的论文数之多,在科学史上是罕见的,已经迅速发展成为一个新的学科分支.包括富勒烯在内的碳簇的形成过程及其机理,作为这个新学科的一个最基本的问题,也同样成为这个新型学科的研究热点.自C60等富勒烯在1985年发现以来,包括发现者R.E. Sm alley在内的众多研究人员就对有关碳原子团簇的形成和生长机理提出了种种假设,其中较有影响的机理可以概括为以下3种:1)“五边形道路”机理[1].该机理由Sm alley等人在首先发现C60后不久即已提出,之后又根据新的实验发现加以修正.它认为碳原子首先生长成直链的碳簇,继而长成环状.当碳簇的成簇原子数达到25～30时,它们生长为多环的石墨碎片,这些碳簇的周边因有较多的悬挂键而较不稳定,为了减少悬挂键的数目,周边的六元环有收缩成五元环的趋势,并因此而发生卷曲,形成杯状的结构,最终生长成笼状的富勒烯.显然,根据这一机理,形成富勒烯的中间产物收稿日期:2001202215基金项目:国家自然科学基金重大(29890210)和面上(29773040)资助项目作者简介:黄荣彬(1960-),男,教授;郑兰荪(1954-),男,教授.实际上就是它们的碎片.2)“富勒烯道路”机理[2].该机理所假设的碳簇生长过程与上述的"五边形道路"相似,碳簇的生长同样经历了由链至环的过程.不同之处在于由30-58个原子组成的中等尺寸的碳簇也具有富勒烯的笼状结构,只是其中的部分五边形必然相邻而较为活泼,因此有可能继续结合C 2生长成C 60等稳定结构.3)“环融合与重构”机理[3].该机理认为C 60等富勒烯可以直接由环状的碳簇经过较为复杂的融合和重构反应转化而成,而无需经历上述的“杯”或“小碳笼”的生长过程.至今为止,还没有一种机理得到实验事实的完全证明并被普遍接受.“五边形道路”机理所预测的杯状构型的中间体始终不曾为实验所发现.“富勒烯道路”机理实质上并未说明由环转化至富勒烯的过程,转化过程的中间产物也同样未曾观察到.与前两种机理相比,“环融合与重构”机理得到科学界较多的认可.实验已发现由18、24或30个碳原子组成的单环在激光的溅射下能够产生C 60或C 70等富勒烯离子[4].因此,由碳环至富勒烯的转化无需经历如“富勒烯碎片”或“小富勒烯”的中间状态.然而,由碳环重构至富勒烯的中间产物也同样未在实验中观察到,所以该机理也仍然有待于实验的证明.由上所述,确定碳簇生长和富勒烯形成机理的关键在于捕获并表征富勒烯形成的中间产物.这些中间产物必然十分活泼而很不稳定,因此才有可能继续生长成稳定的C 60等富勒烯,因此才造成了相关研究的难度,难以借助现有的研究手段来实现.自C 60合成成功[5]后,一些研究者先后尝试在合成反应的气氛中加入反应物,得到与富勒烯不同的碳簇衍生物.如加入N CCN 后得到两端以氰基封口的聚乙炔棒[6],加入氯气后得到全氯代多环芳烃[7],加入丙烯后得到含五元环的多环芳烃[8].然而,这些研究所表征的反应产物所含的碳原子数都较少,而且没有观察到C 60等富勒烯,所以对确定它们形成机理的作用不大.对富勒烯等碳簇形成研究的滞后,已经严重地制约了对它们的进一步认识和应用,成为这个前沿学科亟待解决的一个关键问题.而这方面的研究一旦取得突破,人们对碳及其他原子团簇的认识、合成与利用都将迈上一个新的层次,可能以更经济高效的方法合成这些新型物种,有目的的去发现其他具有特殊结构和性能的新型团簇,从而为原子团簇科学的发展增添新的活力.我们在国际上较早开始碳原子团簇的研究,并带动了国内该领域研究的开展.为了率先在原子团簇科学的这一关键环节取得突破,我们创新和发展了多种形成和研究碳原子团簇的方法,通过自行研制的以激光产生原子团簇和原位质谱研究的大型仪器,以及项目组所建立的多种原子团簇的宏量制备方法,运用X 射线单晶衍射、STM 、H PL C 2M S 联用、原位显微光谱等研究手段,选用各种结构形态和组成的物种为形成反应的起始物,结合动力学、量子化学、数学分析等理论研究,考察了碳原子团簇的生长过程,揭示了富勒烯在特定条件下的形成机理,进而发现和总结碳及其他原子团簇的形成规律,丰富和深化了对原子团簇科学的认识.1 由氯仿合成C 60及其全氯代碎片根据原子团簇的形成规律,我们将电弧、激光等物理方法和溶液的化学合成环境结合起来,创新和发展了液相电弧、激光多相溅射、辉光放电、微波等离子体等合成方法.以仅含一个碳原子的氯仿为反应起始物时,通过以上合成方法均能得到丰富的产物.在经过提取、升华、液相色谱、重结晶等分离步骤后,已分离出了其中的部分产物,它们经光谱表征后分别为六氯苯、・673・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年八氯萘、全氯代苊烯(C 12C l 8)、全氯代苯并苊烯(C 16C l 10)和全氯代碗烯(C 20C l 10)等[9],并首次以X 射线单晶衍射测定了C 12C l 8和C 16C l 10等的分子和晶体结构.有意思的是,它们都可以看作是C 60的全氯代碎片,后三种产物都包含了形成富勒烯所必需的五元环.对所有产物通过H PL C 2UV 2A PC I 2M S 的联用方法,测定其中含有一定量的C 60、C 70等富勒烯,还发现了C 60的多种同分异构体,它们的质谱完全一样,都能观察到质量为720的分子离子峰,但是在高效液相色谱中的保留时间却各不相同.通过质谱分析,发现其余产物基本上为全氯代的碳簇,碳原子数均为偶数,氯原子数大多为10与12,且不随碳原子数的增加而增加,如C 24C l 10、C 30C l 10、C 36C l 12、C 50C l 10等,从它们的组成分析,这些产物很可能也都是富勒烯的全氯代碎片[10].对C 50C l 10还进一步开展了实验和理论研究.量化计算证明C 50C l 10最稳定的异构体是将C 60沿着与五次轴垂直的平面削去10个碳原子后的碎片,碎片的10个悬键正好以10个氯原子所饱和.对C 50C l 10开展的碰撞诱导解离研究(M Sn )也验证了这样的结构.这些研究结果揭示了在氯原子存在下碳簇的生长过程: 上图所描述的C 60的形成过程显然支持“五边形道路”机理,当然这是在氯原子参与的情形下.在进一步的研究中,我们又以上述的全氯代苊烯为反应起始物,以脉冲激光溅射后收集反应的产物,同样得包括C 60在内的上述产物[11].在辉光放电的合成反应中,我们将两个反应器串接在一起,产物分别加以收集和分析,发现第一个反应器的产物主要是富勒烯及其全氯代碎片,而第二个反应器的产物则是石墨的微晶及其全氯代碎片2完全由六元环组成的平面多环芳烃.这些实验结果验证了在氯原子的存在下,碳簇的生长确实遵循上述机理.2 碳簇的催化生长C 60等富勒烯是由Sm alley 等首先以脉冲激光在超声分子束喷口的喉道处蒸发石墨产生的[12].他们的研究发现,碳簇形成环境的氦气密度对C 60的形成起了决定性的作用.然而,我们的研究却发现,即使在无缓冲气体的环境下,如果选择合适的形成条件,可以通过激光直接蒸发的方式产生C 60等富勒烯.以往研究所用的石墨都是多晶的,而我们选择了单晶态的高序热解石墨作为激光蒸发的起始物.实验发现,C 60的形成与石墨晶面的取向有密切的关联:当石墨的六元环平面垂直于入・773・第2期 黄荣彬等:碳原子团簇的形成研究 射的激光束时,所产生的主要是C 60和C 70;而当该晶面与激光束平行时,则只能产生较小的碳簇[13].在进一步的研究中,我们又选择了其它结构形式的碳,如无定形碳、金刚石、玻璃态碳、多晶态石墨等,发现它们在无氦气的环境下,不可能通过激光直接蒸发产生C 60等富勒烯.然而,只要在其中掺入微量的稠环芳烃或其全氯代衍生物,在激光蒸发的产物中就能检测到C 60及其它富勒烯离子.而且这些化合物掺入的量越少,它们对C 60形成的促进作用越为显著,因此,这些掺杂物并不提供形成碳簇的碳源,而是对C 60的形成起着催化作用.为了揭示这些掺杂物的催化机理,我们在研究中尝试了各种组分和结构的掺杂物.研究发现,它们的催化作用与它们的结构没有关系,不具有C 60六元环结构的有机化合物如聚氯乙烯、聚丙烯等高分子材料也有同样能促进C 60的形成;甚至某些不含氢和氯原子的有机化合物如四氰基乙烯,以及不含碳原子的无机化合物如氯化银、氯化铁、硫等也具有显著的催化效应.显然,对C 60形成起催化作用的是这些掺杂物中能和碳原子成键的原子或基团,它们能和较小的碳簇上的悬挂键结合,增加其稳定性,并促使它们生长成C 60等有笼状结构的较大的碳簇.在这些有催化作用的自由基中,氯原子的效果最为显著,这是由于C 2C l 键的键强比较合适.在这些自由基催化作用下,即使金刚石也能通过激光蒸发,有效地转化成C 60等富勒烯[14].研究结果不仅发现和阐明氯原子等自由基对碳簇生长和C 60形成的催化作用及其机理,而且为揭示C 60的形成机理提供重要的实验依据.氯原子等的催化效应说明C 60的中间产物有较多的悬挂键,在已有有关C 60形成的3种机理中,它显然也支持“五边形道路”的机理.3 碳等原子团簇的形成动力学和统计分布规律在分析了实验记录的大量团簇质谱的基础上,我们发现并总结了碳及其它原子团簇的统计分布规律.它不受实验条件等的影响,反映了原子团簇形成的基本规律[15].根据这一规律,在由相同组成单元组合成的原子团簇中,具有相同构型和相近结构稳定性的团簇离子的相对丰度,可以用一条分布曲线来描述.运用该规律,可以揭示团簇构型间的转化,如碳簇构型从链至环再至笼的变化,并能揭示哪些尺寸的团簇可能具有同分异构体[16].根据这一规律,原子团簇的相对丰度并不如通常所认为的那样,可以直接关联于它们的相对稳定性;如果它们的相对丰度能为分布曲线所描绘的话,所反映的是它们的形成动力学.这一规律的发现和提出,将团簇的统计分布与其形成动力学关联起来,揭示了动力学因素在团簇形成中所起的决定性作用,说明C 60在富勒烯产物中的优势含量,并不完全决定于它的结构稳定性,还必须考虑形成动力学的影响.根据这一规律,只有其丰度显著高于分布曲线的团簇,才具有特别稳定的结构,可以称其为“幻数”.幻数是原子团簇的主要特征之一,C 60就是典型的例子,并因此成为团簇研究的主要对象.统计分布规律为团簇幻数的确定提供了客观的依据,显然具有重要的意义.根据碳簇形成的统计分布规律,通过对团簇形成反应的分析,建立了反映团簇形成机理的模型及相应的动力学方程,并以数学归纳法求解了原子团簇的分布函数.将分布函数与实验记录的团簇离子的质谱相比较,能够揭示团簇形成的过程及相应的动力学参数.通过对分布函数的数学分析,可以建立最可几分布团簇离子的尺寸、分布的平均尺寸等原子团簇的分布特性与反应常数之间的关系,由此可以描述团簇形成的动力学特征[17].在动力学研究中还进一步考虑了各种实验条件如温度、压力、激光功率密度、反应起始物等对团簇形成反应的影响,考虑了形成过程中的解离反应,建立了更为复杂、更能反映团簇实・873・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年际形成过程的动力学方程,以数值解的方法得到碳簇产物分布与反应条件的关系,通过与实验结果的相互对照,比较深入地揭示了各种实验条件对形成动力学的影响,得到了碳簇形成反应时间、反应温度等重要参数[18].4 研究C 60的聚合和坍塌过程我们在对C 60形成的研究中,还以原位飞行时间质谱,记录了C 60、C 70等在激光等离子体中的聚合反应产物的尺寸分布[19];以STM 、表面增强拉曼光谱、激光脱附质谱等方法,原位跟踪了C 60在紫外光辐射下所发生的聚合过程,表征了产物的尺寸、形态、结构等[20].这一系列研究说明,C 60的聚合产物仍然具有与C 60相似的结构形态,但是聚合产物并不具有如C 60那样突出的产率和结构稳定性.研究结果为尺寸更大的富勒烯的形成提供了有益的信息.解离是形成的逆反应,对解离反应的研究也有助于加深对形成反应的认识.在自制的装置上,我们将C 60的离子束加速至近1000eV 的能量后,撞击高序热解石墨、金单晶等晶体的表面,以STM 、表面增强拉曼光谱、激光脱附质谱等方法表征撞击后的产物.研究发现,C 60在能量下撞击固体表面并未发生解离,而是坍塌成平面的结构.通过调整离子束的动能,确定导致C 60坍塌的能量阈值在400～500eV 之间[21].5 小 结我们的这一系列研究结果显然加深了对碳簇生长和富勒烯形成过程的了解.根据这些结果,在有氯原子参与的情况下,富勒烯的形成确实经历了与“五边形道路”机理相似的生长过程,即它们形成的中间产物就是它们的全氯代碎片.然而,这些发现仍然不足以确定在无反应物参与下富勒烯的形成机理.显然,氯等自由基的存在,对这些反应中间体稳定性的影响极大,并可能因此改变相应的形成过程.所以,最终揭示C 60等富勒烯的形成机理,还有待于更充分的实验和理论研究.另一方面,我们还结合实验与理论研究,建立碳簇生长的动力学模型,发现了相应的规律,为进一步揭示原子团簇形成的普遍规律,填补原子团簇科学的这个重要空白打下了基础.参考文献:[1] Sm alley R E .Self 2assem bly of fullerenes [J ].A cc .Chem .R es .,1992,25(2):98-105.[2] H eath J R .Synthesis of C 60from s m all carbon clusters .A model based on experi m ent and theo ry [J ].A CS Symp .Ser .,1991,481(1):1-23.[3] H unter J M ,Fye J L ,Ro skamp E J ,et al .A nnealing carbon cluster i ons 2A m echanis m fo r fulerenesynthesis [J ].J .Phys .Chem .,1994,98(7):1810-1818.[4] M cE lvany S W ,Ro ss M M ,Co raff N S ,et al .Cyclocarbon coalescence 2M echanis m s fo r tailo r 2m adefullerene fo r m ati on [J ].Sience ,1993,259:1594-1596.[5] K ratschm er W ,L am b L D ,Fo stiropoulo s K ,et al .So lid C 60:a new fo r m of carbon [J ].N ature ,1990,347:354-358.[6] Gro sser T ,H irsch A .D icyanopo lyynes 2Fo r m ati on of new rod 2shaped mo lecules in a carbon p las m a[J ].A ngew .Chem .Int .Ed .Engl .,1993,32(9):1340-1342.[7] Chang T M ,N ai m A ,A hm ed S N ,et al.O n the m echanis m of fullerene fo r m ati on 2T rapp ing of som e po ssible inter m ediates [J ].J .Am .Chem .Soc .,1992,114(19):7603-7604.[8] Schw artz H .T he m echanis m of fullerene fo r m ati on [J ].A ngew .Chwm .Int .Ed .Engl .,1993,32(10):1412-1415.[9] H uang R B ,H uang W J ,W ang Y H ,et al .P reparati on of decach lo roco rannulene and o therrerch lo rinated fragm ents of fullerenes by electrical discharge in liquid ch lo rofo r m [J ].J .Am .Chem .・973・第2期 黄荣彬等:碳原子团簇的形成研究 Soc .,1997,119:5954-5955.[10] X ie S Y ,H uang R B ,Yu L J ,et al .M icrow ave synthesis of fullerenes from ch lo rofo r m [J ].A pp l .Phys.L ett .,1999,75(18):2764-2766.[11] X ie S Y ,H uang R B ,D ing J ,et al .Fo r m ati on of buckm insterfullerene and its perch lo rinatedfragm ents by laser ablati on of perch lo roacenaph thylene [J ].J .Phys.Chem .A ,2000,104(31):7161-7163.[12] K ro to H W ,H eath J R ,O ′B rien S C ,et al.C 60:Buckm insterfullerene [J ].N ature ,1985,318:162-64.[13] X ie Z X ,L iu Z Y ,W ang C R ,et al .Fo r m ati on and coalenscence of fullerenes I ons from direct laservapo rizati on [J ],J .Chem .Soc .Faraday T rans .,1995,91(6):987-992.[14] T ang Z C ,H uang R B ,H uang W J ,et al .L aser p roducti ons of fullerene I ons p romo ted by additivecompounds in carbon targets [J ].J .Phys .Chem .A ,1998,102:9993-10002.[15] W ang C R ,L iu Z Y ,H uang R B ,et al.L ogno r m al size distributi ons of elem ental clusters [J ].Chem .Phys.L ett .,1994,227(1 2):103-108.[16] W ang C R ,L iu Z Y ,H uang R B ,et al .Statistical size 2D istributi on and structural studies of lasergenerated carbon clusters [J ].Chem .Phys.L ett .,1994,227(1 2):109-116.[17] H uang R B ,Zhang Q ,Chen H ,et al .A pp liati on of s mo luchow sky equati on to the fo r m ati on k ineticsof cluster i ons [J ].J .Euro .Phys .D ,1999,9:253-261.[18] 曹玉群,黄荣彬,郑兰荪.激光溅射下原子团簇生长的非平衡动力学[J ].物理化学学报,1999,15(4):345-349.[19] L iu Z Y ,W ang C R ,H uang R B ,et al .M ass distributi on of C 60and C 70coalescence p roducts p roducedby direct laser vapo rizati on [J ],Int .J .M ass Spectrom .I on P roc .,1995,145(1):1.[20] T ang Z C ,Cai X W ,Gao J S ,et al .In 2situ characterizati on of C 60coalescence reacti on [J ].Chem .Phys.L ett .,1999,306(3):345-349.[21] T ang Z C ,Cai X W ,R en B ,et al .Co llap se of m ass 2selected C 60i on beam co llided on crystal surfaces[J ].J .Chem .Soc .Faraday T rans .,1997,93:3703-3707.Fo rm ati on Studies of Carbon C lu stersHU AN G Rong 2b in ,X IE Su 2yuan ,D EN G Shun 2liu ,ZH EN G L an 2sun(State key L ab .fo r Phys .Chem .of So lid Su rface ,D ep t .of Chem .,X iam en U n iv .,X iam en 361005,Ch ina )Abstract :Grow th and fo r m ati on of fu llerenes and o ther carbon clu sters has p resen ted a m echan istic p uzzle to physical and o rgan ic chem ists .A lthough vari ou s schem es have been p ropo sed after the discovery of the fu llerenes ,none of them have been exclu sively verified by availab le experi m en tal evidences .In o rder to reveal the puzzle ,w e have developed special apparatu s and syn thetic m ethods .B ased on the techn iques ,it has been found that the fu llerenes can grow from a si m p le m o lecu le con tain ing single carbon atom such as ch lo rofo r m ,and o ther reacti on p roducts are p erch lo rinated fragm en ts of fu llerenes .In additi on ,ch lo rine atom s and o ther free radicals can catalyze fo r m ati on of fu llerenes very effectively .T he ob servati on s thu s conclude that ,w ith invo lvem en t of ch lo rine atom s ,fo r m ati on of the fu llerenes fo llow s the "Pen tagon Road "schem e p ropo sed by Sm alley and co 2w o rkers .In the fo r m ati on studies ,statistical distribu ti on of carbon and o ther clu sters has been discovered and attribu ted to the fo r m ati on k inetics of the clu sters .Coalescence and co llap se p rocesses of C 60have also been characterized in the studies .Key words :carbon clu sters ;fo r m ati on ;ch lo rine atom s ・083・ 厦门大学学报(自然科学版) 2001年。
团簇的研究现状及展望
团簇的研究现状及展望团簇的研究现状及展望摘要：概述团簇当前的发展现状，总结了团簇发展这么多年来取得的一些进步和团簇研究过程中遇到的一些有待解决的难题并对团簇的发展前景和方向作了展望。
关键词：团簇，微观结构，尺寸，性能特征1．前言团簇研究正在迅速发展，是跨越原子、分子物理、固体物理、表面物理、量子化学等诸多学科的一个交叉学科。
从等于1956年在喷嘴束中发现氢分子的冷凝即氢分子的团簇形成算起，将近已有40年的历史。
但团簇研究在国际上的迅速发展还是最近一二十年的事情。
与国际的团簇研究步伐相比，国内的土作起步较晚。
从80年代中期开始，国内一些单位陆续开展了团簇的实验和理论研究。
2．团簇介绍原子和分子团簇，简称团簇(Cluster)或微团簇(microclusters)，是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相对稳定的微观和亚微观聚集体，其物理和化学性质随所包含的原子数目而变化。
团簇的空间尺度是几人至几百人的范围，用分子描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体或液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插得到。
因此，人们把团簇看作是介于原子分子和宏观固体之间物质结构的新层次，有人称之为物质的“第五态”[1]。
正因为如此，团簇可作为各种物质由原子分子向大块物质转变过程中的特殊物相，或者说它代表了凝聚态物质的初始状态，象胚胎学以其特殊的、许多情况下甚至是唯一的方式说明生物学规律一样，团簇的研究有助于我们认识大块凝聚物质的某些性质和规律[2,3]。
团簇科学是研究团簇的原子组态和电子结构、物理和化学性质及其向大块物质演化过程中与尺寸的关联，团簇同外界环境的相互作用规律等。
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、表面科学、材料科学甚至核物理学引入的概念和方法交织在一起，构成当前团簇究的中心议题，并逐渐发展成一门介于原子分子物理和固体物理之间的新型学科。
纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用
第17卷 第2期大学化学2002年4月今日化学 纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用胡效亚Ξ 陈洪渊ΞΞ(南京大学化学化工学院 南京210093) 在对自然世界客观规律的探索中,研究对象的三维空间尺寸从大的方面说,利用射电天文望远镜已将视野延伸到200亿光年之遥的广漠太空;从小的空间而言,对“基本粒子”的穷究越来越往更小的单元延伸。
17世纪的自然科学家依靠个人的努力即可对宏观世界揭示出具有普遍意义的科学定律和自然界的基本规律,如今则需要学科渗透、交叉和联合。
化学家长期以分子、原子作为研究对象,曾忽略了对分子以上层次的研究。
如今,尽管包括化学家在内的广大科学家对分子以上、100nm以下的尺寸范围即介观层次的纳米微粒的艰辛研究已有二三十年,取得了可喜的成绩,但还仅仅处于起步阶段。
纳米粒子以其在三维空间中特殊范围的尺寸,展现了人们还不太熟悉的世界的另一面,给人类带来了新的认识、新的惊喜和新的希望,也将给我们的生活和社会带来新的色彩和变化。
从前科学家以宏观世界为基础建立的力学体系和以微观世界为基础建立的量子物理学和量子化学等一系列理论和规则,对介于宏观和微观之间的所谓介观世界(如纳米材料和超分子材料等)是否适用,需要重新认识和研究。
如今纳米材料正在各个领域被广泛地研究和应用,如量子器件、能量贮存、催化反应、新型材料、生物医学检测和宇航工业等等。
下面仅就纳米材料特性及其组装和在分析化学方面的应用研究的最新进展作一简要介绍。
1 纳米粒子的特性 现在普遍认为直径在1～100nm尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。
这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100nm以上的粒子有着明显的区别,但对其性质远没有深入研究。
迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm,而光刻的最小尺寸也只能接近100nm (Intel公司Pentium III微处理器使用的光刻技术达到180nm),胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。
元素周期表中的新发现与研究进展
元素周期表中的新发现与研究进展随着科学技术的发展和研究的深入，元素周期表一直在不断演化和丰富。
近年来，科学家们对元素周期表进行了诸多研究，取得了许多新的发现和进展。
本文将介绍一些元素周期表中的新发现和研究进展，以及它们对科学和工业的影响。
1. 超重元素的合成在元素周期表中，超重元素是指原子序数大于基本元素（氢至铅）之后的元素。
通过核物理实验，科学家们成功合成了多种超重元素，如锿、硅和铍。
这些超重元素的合成不仅拓展了元素周期表的边界，也为人们认识宇宙和物质提供了新的视角。
2. 元素的新发现随着技术的提升，科学家们不断发现新的元素。
最近，有两个新的元素被发现，分别是“nihonium”和“moscovium”。
这两个元素的发现填补了元素周期表中的两个空位，为物理、化学和材料科学的研究提供了新的实验基础。
3. 原子核的奇特结构元素周期表中的元素与其原子核有密切的联系。
最近，科学家们的研究发现，原子核具有更为奇特的结构，如“超畸变形态”和“原子核团簇”。
这种研究不仅对核能的开发和利用具有重要意义，也有助于解开原子核内部结构的奥秘。
4. 新的元素周期表布局除了新的元素的发现，科学家们还提出了一种新的元素周期表布局。
这个新布局将元素按照其原子序数和原子质量进行排列，从而更好地展示了元素的特性和规律。
这种新的布局形式有助于学生和科研人员更好地理解和应用元素周期表的知识。
5. 元素的应用拓展新的元素发现和研究进展为科学和工业带来了许多新的应用拓展。
例如，锿元素具有潜在的应用于癌症治疗的能力，而新的元素周期表布局则有助于材料科学的研究和开发。
这些应用的拓展有望为社会和经济发展带来新的动力。
总结起来，元素周期表中的新发现和研究进展为科学和工业领域带来了许多新的机遇和挑战。
超重元素的合成、新元素的发现、原子核的奇特结构、新的元素周期表布局以及元素应用的拓展，都为人类对物质世界的认识提供了新的视角。
随着研究的深入，我们相信元素周期表将继续为人类的发展做出更为重要的贡献。
原子级精确金属团簇
原子级精确金属团簇金属团簇是由几个原子组成的小分子，它们可以通过化学反应或物理加工制备出来。
在金属团簇中，原子之间的相互作用是非常强的，这可以带来一些特殊的物理和化学性质。
最近，许多科学家开始研究原子级精确金属团簇，它们由固定数量的原子组成，原子之间的位置非常精确，这些金属团簇有着广泛的应用前景。
原子级精确金属团簇具有非常优异的特性，例如它们具有优异的稳定性和可控性。
这意味着我们可以通过改变不同的原子数来产生具有不同性质的金属团簇。
此外，我们可以通过添加其他元素来改变金属团簇的性质，例如改变金属团簇的电子结构或表面化学反应活性。
原子级精确金属团簇可以通过许多方法制备出来，其中最常用的方法是两步法。
第一步是合成预金属原子，例如制备大量的Pt原子，这些Pt原子通常是以团簇的形式存在。
接下来，在第二步中，我们将这些金属团簇从化学反应中分离出来，这样我们就得到了原子级精确金属团簇。
原子级精确金属团簇在很多领域都有着广泛的应用。
例如，在催化领域，金属团簇可以作为催化剂，促进反应中的化学反应。
此外，在表面科学中，原子级精确金属团簇可以用于制造非常精确的表面。
这些表面可以用于在制造电子器件中，例如制造非常小的传感器。
原子级精确金属团簇的研究已经在很多学科中得到广泛的应用。
例如，在材料科学中，我们可以使用原子级精确金属团簇来制造新的材料。
此外，在物理学中，我们可以研究原子级精确金属团簇的性质来揭示新的物理现象。
最近，许多生物学家也开始研究原子级精确金属团簇在生物学中的应用。
总之，原子级精确金属团簇是一种非常重要的材料，它们有着广泛的应用前景。
我们期待未来的研究能够进一步推动这个领域的发展，为我们带来更多有用的材料和新的发现。
原子团簇的特异性质与应用前景
原子团簇的特异性质与应用前景引言：原子团簇是由几十个到几千个原子组成的微观粒子集合体，具有特殊的性质和结构。
在物理学领域，我们可以借助物理定律和实验来探索原子团簇的性质，并利用这些性质去开发各种应用。
本文将以物理定律为基础，从实验准备、过程，到应用和其他专业性角度进行详细解读。
正文：一、原子团簇的电子结构与量子力学原理在探索原子团簇的性质之前，我们首先需要了解到量子力学原理对原子团簇电子结构的影响。
我们熟知的量子力学原理包括波粒二象性、不确定性原理以及波函数的运动方程等。
通过波动性，原子团簇在一定尺寸上呈现出粒子性的特征。
这意味着电子在团簇中的能级将受到限制，且能级之间的间隔依赖于团簇的尺寸和结构。
实验中我们可以通过测量团簇的能级分布来研究这种特异性质。
二、原子团簇的热力学性质与热力学定律在研究原子团簇的热力学性质时，我们可以借助热力学定律来解释其微观行为。
其中最重要的有热力学第一定律和第二定律。
根据热力学第一定律的能量守恒原则，我们可以通过测量原子团簇的内能变化来研究其热力学性质。
通过实验设计，可以控制原子团簇的温度、压力等参数，并测量相应的内能变化，进而验证热力学定律的适用性。
三、原子团簇的光学性质与光学定律原子团簇的光学性质是研究其特殊性质的重要方面。
在探索光学性质时，我们可以借助光学定律，如折射定律、衍射定律和反射定律等。
通过实验设计，我们可以针对原子团簇的光学性质进行探究。
例如，我们可以利用干涉实验来研究原子团簇的衍射和干涉现象，从而寻找其特殊的光学特性。
四、原子团簇的磁学性质与磁学定律原子团簇的磁学性质是其独特性质之一，可以利用磁学定律来探索。
磁学常用的定律包括洛伦兹力定律和法拉第定律等。
通过实验，我们可以针对原子团簇的磁性进行研究。
例如，我们可以设计磁场扫描实验，测量原子团簇在不同磁场强度下的磁矩变化，从而揭示其磁学性质。
五、原子团簇的应用前景原子团簇作为一种新型材料，具有许多重要的应用前景。