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金属纳米集群的奇妙之旅：它们是如何形成的？
金属纳米集群，通常存在于0至2奈米的尺度范围内，拥有原子精确的晶体结构，是合成较大材料（如半导体和金属纳米晶体）过程中的动力学稳定中间体。尽管对纳米集群的研究主要集中于其晶体结构的表征以及它们在较大材料的成核和成长机制中的作用，但这种材料的形成过程却充满了惊奇。
金属纳米集群被认为是原子与纳米粒子之间的桥梁，当其尺寸进一步减少时，它们的能带结构会变成不连续的，且分解为离散的能级，这使得纳米集群展现出类似于单一分子的特性。
纳米集群的历史
纳米集群的历史可以追溯到宇宙早期，那时候稳定的纳米集群如富勒烯（C60）可能已经存在。 1930年代，首批发现的纳米集群离子是Zintl相，一种间金属化合物。 1950年代到1960年代，科学家们开始尝试有意识地形成纳米集群，透过低温下的强分子束产生纳米集群，并且激光气化技术的发展，使得在周期表中几乎所有元素的纳米集群皆可被创造出来。
金属纳米集群的尺寸与原子数
根据著名的数学物理学家久保亮吾的理论，能级间距可用以下公式预测：δ = E_F/N，其中EF为费米能量，N为原子数量。这表示纳米集群的量子限制使得它们的特性与大型材料截然不同。
稳定性
纳米集群的稳定性与其原子数量、价电子数及包覆架构有关。在1990年代，赫尔等人发现某些金属纳米集群的特定质量拥有稳定性，类似于魔法集群，这些集群的原子数量与原子壳层的闭合相对应。例如，某些含硫化合物的金纳米集群如Au25(SR)18也显示出魔数稳定性。
赫尔和布拉克的研究成果表明，那些拥有恰当的价电子数量的纳米集群，往往是稳定的，其稳定性可以通过价电子与原子轨道的壳层闭合理论解释。
合成与稳定化
固态介质
纳米集群可以通过多种方法合成，例如激光气化、气体聚集等。这些方法各有特点，但共同的目的都是创造出高纯度、稳定的纳米集群。激光气化法利用脉冲激光将金属棒蒸发成气相，然后透过冷却气体促进簇的形成。
水相介质
在水相中，金属纳米集群的合成一般分为两步：将金属离子还原至零价状态及稳定纳米集群。未经稳定的金属纳米集群会因相互作用而聚集，形成较大的颗粒。
常见的还原方法有化学还原法、电化学还原法和光还原法，其中化学还原例如使用硼氢化钠进行银离子的还原反应。
特性
磁性特性
纳米集群中的原子大多为表面原子，因此其磁矩相比于大块材料更大。纳米集群的尺寸和结构可以显著影响其磁性，使得一些本身参数性的金属在纳米尺度上显示出不同的磁性行为。
光学性质
纳米集群的光学性质取决于其电子结构和能隙，这使得纳米集群在各种应用中，如生物成像和催化剂中显现出独特的性能。随着纳米集群尺寸的变化，其光学特性也会随之改变。
应用
由于纳米集群具备独特的光学、电学、磁性和反应性特质，它们在多个领域中有着广泛的应用前景。例如，纳米集群在生物成像和细胞标记中展现出其生物相容性和亮光发射的优势。此外，纳米集群能够用于感测和检测水中铜、汞等污染物。而随着纳米集群的发展，这些材料甚至可以应用于光学数据存储。
了解到金属纳米集群的形成与特性后，未来的技术将如何进一步拓展其应用领域？
