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原子与纳米粒子之间的桥梁：纳米集群有何独特之处？
在纳米科技的迅速发展中，纳米集群被认为是连接原子和纳米粒子的关键材料。这些原子精确的结晶材料在0-2纳米的尺度上存在，并且在合成较大材料（如半导体和金属纳米晶体）过程中被视为动力学稳定的中间体。大多数针对纳米集群的研究集中在其晶体结构的表征及其在较大材料的成核和生长机制中的作用。
材料可以分为三种不同的区域，即块状材料、纳米粒子和纳米集群。
块状金属一般被认为是良好的导电体和光学反射体，而金属纳米粒子则因表面 plasmon 共振而显示强烈的颜色。然而，当金属纳米集群的尺寸进一步减小，形成一个纳米集群时，带结构变得不连续，并分解为离散的能级，与分子的能级相似。这使得纳米集群具备了类似单一分子的特性，不再呈现 plasmon 性质，这也使得纳米集群被称为原子和纳米粒子之间的桥梁，或可称为分子纳米粒子。
纳米集群的历史
稳定的纳米集群，如巴克敏斯特富勒烯（C60），据说在早期宇宙中就已经形成。回顾过去，第一组发现的纳米集群离子是1930年代研究的 Zintl 相。 1950至1960年代，第一组有意识地形成纳米集群的实验开始进行。当时，通过超音速扩展的分子束在低温下产生纳米集群。激光蒸发技术的发展使得几乎所有元素的纳米集群均能生产，而自1980年代以来，半导体元素、化合物集群和过渡金属纳米集群方面的研究蓬勃发展。亚纳米金属集群通常包含少于10个原子的金属，在尺寸上小于一纳米。
金属纳米集群的大小与原子数
纳米集群的能级间距可依据日本数学物理学家久保良吾的预测进行计算。其中，EF代表费米能量，N则为原子数。由于量子限制，纳米集群的行为变得更加显著。我们了解到，不是所有的集群都是稳定的，纳米集群的稳定性取决于集群中的原子数、价电子计数和包裹框架。
1990年代，Heer和他的研究团队利用超音速扩展的原子集群来源在惰性气体的环境中产生原子集群束。他们发现某些形成的金属纳米集群具有魔法集群的稳定性，其原子数或核心大小对应于原子壳层的关闭。
合成与稳定性
纳米集群可以在固体状态或水相环境中合成。固态中使用的分子束可以用于创建几乎任何元素的纳米集群束。在高真空下，通过结合分子束技术和质量选择的质谱仪，对纳米集群进行分离和分析。以种子超音速喷嘴等不同的聚集源，进一步生成纳米集群。水相中的纳米集群合成通常涉及金属离子的还原及其稳定。
在水相中，金属纳米集群的合成一般分为两个步骤：将金属离子还原为零价状态及稳定纳米集群。
纳米集群的性质
纳米集群展现出独特的磁性、反应性及光学性能。由于大面积对体积比和低的表面原子配位，纳米集群在催化反应中显示出卓越的性能。金属纳米集群的析出和发光特性使其成为生物成像及感测应用的理想选择。
结论
纳米集群的形成及其独特性使其成为连接原子与纳米粒子之间的关键桥梁。在未来的纳米科技应用中，这些微小而强大的结构将如何影响科学与技术的发展？
