看超原子玩魔術

神奇的超原子

——一種元素竟能變出所有元素

麥堆不論由多少麥粒組成，都是麥子；鋁不論由多少鋁原子組成，它都是金屬鋁；一種元素不論由多少原子組成，它都是那種元素，不會變成別的元素；化學家一直都是這麼認為的。然而，化學家大錯特錯了。

令人震驚 原子團把本元素的「臉」丟盡了

1980年代早期，科學家發現6個鋁原子組成的原子團竟然能夠催化氫分子的分裂，其催化性能與金屬釕（化學工業中常用催化劑）相似，6個原子的鋁原子團竟然具有了釕元素的性質？任何有些異常的現象都不會躲過科學家好奇的頭腦，他們同時對鋁和鈉開展了類似的研究。

為了獲得鈉原子團，他們讓金屬鈉先變成氣體，然後再讓其冷凝，從冷凝的鈉滴中，他們檢測出了鈉原子團。只是出乎意料的是，組成原子團的鈉原子數目竟然不是隨機的，而是特定的一些數目，例如8個、20個、40個、58個、92個……，其它數目的幾乎沒有，為什麼會這樣？而且這些數目的鈉原子團很穩定，不願參與反應，把鈉的活潑性給丟掉了。

隨後，他們從鋁原子氣中也冷凝出了特定數目的鋁原子團，鋁原子團的性質更讓化學家驚訝：本來喜歡與氧反應的鋁，變成原子團後，有些原子團（例如13個、23個、37個鋁原子組成的原子團）不但不與氧反應，還會像氯那樣喜歡奪取「人家」的電子，其奪取電子的能力甚至超過了碘，跟溴有點像！這時的原子團簡直就像超大個的溴原子，金屬原子一旦聚成合適的群體，竟然「叛變」成了非金屬！這太讓人不可理解了。

繼續進行實驗，更不可思議的結果出現了！當給類似溴的鋁13（13個鋁原子組成的原子團，以下也用類似的方式稱呼別的原子團）塞入一個鋁原子，讓它們14個「弟兄」抱成團，結果這多了一個原子的原子團，其化學性質又變回來了，變成了金屬，變得比鋁還活潑，與鎂、鈣等相似了！這時的鋁原子團又好似超大個的鎂原子或鈣原子了。

更令人震驚的是，多個鋁原子團以一定方式組合在一起，還會具有類似苯的有機物的性質！繼續探索，不同數目的鋁原子團竟可以模擬出周期表中大多數元素的性質！

太神奇了，一個鋁元素難道要把整個周期表上的所有元素的性質都模仿出來不成？

了不得！原子變成了超原子

為什麼原子聚成團後，會具有這些神奇的現象？是原子團內部發生了化學反應？應該不會，化學反應牽扯到一方奪取電子，一方失去電子，這些原子團都是同樣的原子扎堆，誰也爭奪不過誰。

那麼會不會這些原子團結起來，各自捐獻一些電子，組成共同的圍繞原子團旋轉的電子保護層？這種猜測有點靠譜。

當化學家把原子團當做一個巨大的原子——超原子來看待時，計算髮現，當超原子的共用電子滿足2, 8, 20, 40, 58等數時，電子們會形成穩定的保護殼層，保護內部的原子不被別的元素侵擾，這時的超原子異常穩定，就像惰性氣體那樣。而一個鈉原子會貢獻一個外層電子，因此鈉原子們以2, 8, 20, 40, 58等數目抱成團時，正好可以湊出最穩定的電子數，這就是為什麼鈉原子喜歡以這些數目扎堆了。

而一個鋁原子可以貢獻3個外層電子，13個鋁原子組成的原子團就可以湊出39個共用電子，距離可形成穩定保護層的40個電子就差一個電子，因此鋁13超原子非常想再得到一個電子來滿足穩定的結構，這與非常想得到一個電子來滿足穩定結構的氯是多麼相像啊，因此，鋁13超原子實際上具有類似氯、溴、碘的化學特性。類似的分析，14個鋁原子則湊出了42個共用電子，比穩定的40個還多了2個電子，因此鋁14超原子非常想丟掉這2個多餘的電子來滿足穩定的結構，這與活潑金屬鈣、鎂的性質相似，因此鋁14超原子像巨大的鈣原子，就不足為怪了。

由此可見，原子們不是隨隨便便扎堆的，但一旦扎堆就會團結在一起，形成一個整體，相當於變成了大個的超原子，共同應付外界的環境。這些發現讓研究者興趣大增，開始沿著周期表尋找更多元素的超原子。至今為止，他們已經發現了許多元素的超原子以及它們有趣的性質。

各種超原子的有趣特性

除了上述鈉和鋁的超原子外，科學家已經發現許多金屬都可以形成超原子；混雜的金屬也可以形成超原子，例如1個釩原子與8個銫原子可以組成超原子；一些化合物也可以，例如3個氟化氫可以組成超原子；碳、硅等非金屬也照樣能形成超原子。

超原子的性質千奇百怪，是一個值得探索的化學殿堂。不同元素、不同數目的超原子都具有不同的性質：它們不但可以模仿其它元素，有的還會獲得磁性，有的則具備了半導體甚至超導體的潛力。例如鉑13超原子以及金25超原子都會有磁性，而我們知道金或鉑是沒有磁性的。

其實碳原子組成的富勒烯籠子也是一種超原子，富勒烯已經足夠有魅力了：它的韌性比鋼還強，它的導電性比銅優良，但重量只有銅的1/6，利用它可以製造出又輕便又優良的非金屬電路板、電線。它作為特殊的光學材料、磁性材料或超導材料也不遜色。

學過化學的人都知道，一個元素的化學價一般是整數，例如，失去兩個電子的鎂是+2價，失去3個電子的鋁是+3價，得到兩個電子的氧是-2價……你有沒有想過，得到一個電子的鋁13超原子中，鋁是什麼價？我們可以說鋁13整體是-1價，那麼分攤到每個鋁原子就是-1/13了？化學價是分數！超原子中單個原子的化學價通常為分數，這也是超原子的一個特性。至此，一個長期以來爭論不休的問題可以解決了，鐵在純氧中劇烈燃燒生成有磁性的四氧化三鐵，長期以來，人們對四氧化三鐵是純凈物還是混合物爭論不休，因為人們認為鐵的化學價不應該出現分數（四氧化三鐵中，鐵是+8/3價），因此許多人認為四氧化三鐵是三氧化二鐵與氧化亞鐵的混合物。現在看來，四氧化三鐵是一種超原子結構的化合物，具有磁性，具有分數化學價。

這些發現非常重要，它打開了超原子化學寶庫的大門，用這些個性古怪的超原子，不知可以製造出多少獨特的化合物呢。科學家猜測，絕大部分元素應該都可以形成超原子。而超原子的大小在納米範圍內，也許納米粒子的特殊性質，與超原子關係密切呢。

元素周期表需要增加厚度

門捷列夫的元素周期表把元素們合理地分成一些具有相似性質的家族，一個元素的化學性質可以根據它在周期表中的位置推測出來。一個多世紀以來，它一直是化學家的指路明燈。但自超原子出現以來，這種指路明燈的作用已經不那麼明晰了，化學家明白，一個元素表現出的性質不僅與它在周期表中的位置有關，更重要的是，還與它是由幾個原子組成的有關。如果還按照傳統的周期表來框，就無法解釋一些元素的原子團竟呈現出與本元素完全不同的化學性質來。

化學家們正在考慮建立一個三維立體的元素周期表——超原子元素周期表，立體周期表相當於讓傳統周期表有了高度，這個高度代表的就是原子數，傳統的周期表顯示的只是原子數為1或2時各元素所表現出來的化學性質，那麼原子數為3以上時的原子團的性質就可以到不同高度對應的立體周期表中去尋找。當原子數增加，周期表向高處延伸時，元素在周期表中的位置就要發生變化了，例如在13個原子這個高度，鋁的位置投影到傳統周期表中，應該位於溴這個位置上，而14個原子的高度時，鋁的位置投影到傳統周期表中，又變到鈣這個位置上了。有點像沿著不同高度切棗糕，棗的位置也在到處變換一樣。以此類推，不同元素在不同高度，投影下來的位置都不一樣，可見，三維元素周期表將是一個很複雜的表，想把它背下來可不容易。

超原子打開了潘多拉盒

也許你會覺得多此一舉，既然鋁13像溴，那麼在化學反應中直接用溴不就行了嗎？何苦要理會那麼大個的原子團呢？

原因是超原子的性質雖然類似於某些元素，但是畢竟不是等同，它們是巨大的原子團，還具有其它讓你意料不到的性質呢。例如鋁13性質似溴，如果在多碘化合物中用鋁13來代替碘原子，那麼整個化合物的結構就會發生巨大的變化，形成全新的超原子化合物。因此，利用超原子可以創建出許多獨特的化合物來，製造出全新的材料，例如在聚合物中用鋁13代替碘，可以提高聚合物的導電性；而鋁超原子在水中還會自動把水分解成氫氣呢……

有關超原子的另一個極有用的能力是它們可以把元素保護起來，到需要的時候，再解除保護。例如，鋁可以被作為有效的添加劑加入固體燃料中，因為它在燃燒時可以放出大量的能量。但有一個問題，超細的鋁粉是很活潑的，經常在到達點火室之前就會被氧化掉，失去燃料的作用。科學家設想，若讓鋁先形成穩定的鋁13陰離子，它就不會與氧或別的物質反應了，然後把它們與燃料充分混合，到用的時候，再想辦法讓其回到活潑的狀態。這個想法可行而又有吸引力，得到了美國空軍科研部和美國能源部的大力支持。

具有磁性的超原子可以做成存儲數據的磁碟。有的超原子的磁性還會在某些條件下打開和關閉，例如金25超原子在不帶電的情況下有磁性，帶負電的情況下，磁性消失，一個分子就可以做成一個磁性開關！有的超原子的獨特導電性，也可以做成分子電子儀器。

還有些超原子組成的材料能自動匯聚光線，類似凸透鏡聚光的功能，卻不需要費力把材料打磨成凸面；有的超原子材料透明度會隨光的強弱而發生變化，可以用於特殊用途。

像這類應用還都是枝枝葉葉，最重要的是，超原子領域為化學家打開了全新的廣闊的視野，為他們提供了一種靈活調控分子化學性質的魔法，這是一種科學「鍊金術」，通過增加或減少原子數目就可以調整分子，讓物質「變出」我們需要的性質。將來還不知超原子世界裡會產生出怎樣奇特的物質呢，簡直就像打開了潘多拉盒。

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