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金屬納米集群的奇妙之旅：它們是如何形成的？
金屬納米集群，通常存在於0至2奈米的尺度範圍內，擁有原子精確的晶體結構，是合成較大材料（如半導體和金屬納米晶體）過程中的動力學穩定中間體。儘管對納米集群的研究主要集中於其晶體結構的表徵以及它們在較大材料的成核和成長機制中的作用，但這種材料的形成過程卻充滿了驚奇。
金屬納米集群被認為是原子與納米粒子之間的橋樑，當其尺寸進一步減少時，它們的能帶結構會變成不連續的，且分解為離散的能級，這使得納米集群展現出類似於單一分子的特性。
納米集群的歷史
納米集群的歷史可以追溯到宇宙早期，那時候穩定的納米集群如富勒烯（C60）可能已經存在。1930年代，首批發現的納米集群離子是Zintl相，一種間金屬化合物。1950年代到1960年代，科學家們開始嘗試有意識地形成納米集群，透過低溫下的強分子束產生納米集群，並且激光氣化技術的發展，使得在周期表中幾乎所有元素的納米集群皆可被創造出來。
金屬納米集群的尺寸與原子數
根據著名的數學物理學家久保亮吾的理論，能級間距可用以下公式預測：δ = E_F/N，其中EF為費米能量，N為原子數量。這表示納米集群的量子限制使得它們的特性與大型材料截然不同。
穩定性
納米集群的穩定性與其原子數量、價電子數及包覆架構有關。在1990年代，赫爾等人發現某些金屬納米集群的特定質量擁有穩定性，類似於魔法集群，這些集群的原子數量與原子殼層的閉合相對應。例如，某些含硫化合物的金納米集群如Au25(SR)18也顯示出魔數穩定性。
赫爾和布拉克的研究成果表明，那些擁有恰當的價電子數量的納米集群，往往是穩定的，其穩定性可以通過價電子與原子軌道的殼層閉合理論解釋。
合成與穩定化
固態介質
納米集群可以通過多種方法合成，例如激光氣化、氣體聚集等。這些方法各有特點，但共同的目的都是創造出高純度、穩定的納米集群。激光氣化法利用脈衝激光將金屬棒蒸發成氣相，然後透過冷卻氣體促進簇的形成。
水相介質
在水相中，金屬納米集群的合成一般分為兩步：將金屬離子還原至零價狀態及穩定納米集群。未經穩定的金屬納米集群會因相互作用而聚集，形成較大的顆粒。
常見的還原方法有化學還原法、電化學還原法和光還原法，其中化學還原例如使用硼氫化鈉進行銀離子的還原反應。
特性
磁性特性
納米集群中的原子大多為表面原子，因此其磁矩相比於大塊材料更大。納米集群的尺寸和結構可以顯著影響其磁性，使得一些本身參數性的金屬在納米尺度上顯示出不同的磁性行為。
光學性質
納米集群的光學性質取決於其電子結構和能隙，這使得納米集群在各種應用中，如生物成像和催化劑中顯現出獨特的性能。隨着納米集群尺寸的變化，其光學特性也會隨之改變。
應用
由於納米集群具備獨特的光學、電學、磁性和反應性特質，它們在多個領域中有著廣泛的應用前景。例如，納米集群在生物成像和細胞標記中展現出其生物相容性和亮光發射的優勢。此外，納米集群能夠用於感測和檢測水中銅、汞等污染物。而隨著納米集群的發展，這些材料甚至可以應用於光學數據存儲。
了解到金屬納米集群的形成與特性後，未來的技術將如何進一步拓展其應用領域？
