納米尺度的新發現，猜猜有何重大意義？

想像一下，如果你能觀察一小部分未知的化學元素（小於100個原子的大小）並且在你真正看到更大的積累之前就知道這些元素會大量變成什麼樣的物質。美國能源部阿貢國家實驗室化學科學與工程部退休的資深科學家朱利葉斯·傑里內克(Julius Jellinek)長期以來一直為這種想法提供動力。他最近與長期合作夥伴、中密歇根大學物理系教授科博拉·傑克遜(Koblar Jackson)的發現，有可能對納米科學學科產生重大影響。根據Jellinek的觀點，將大量元素和材料分類為不同的類型（金屬、半導體和絕緣體）已經得到了很好的建立和理解。

博科園-科學科普：但是在納米尺度上識別材料的類型並不是那麼簡單。事實上，儘管「納米材料」一詞被廣泛使用，但納米材料科學尚未得到充分發展。傑里內克解釋說：非常小的元素和化合物，或者說納米量的元素和化合物，其行為與體積相當的元素和化合物非常不同。例如體積較大的金屬元素的小原子團簇只有在尺寸增大時才具有金屬特性。這種現象被稱為尺寸誘導向金屬性質的轉變，它促使Jellinek和Jackson提出了這樣一個問題：僅僅根據一種未知元素在亞納米到納米尺度的有限範圍內所表現出的特性，就能預測出它將大量出現在何種類型的材料中嗎？

答案是肯定的，而且有點出人意料

Jellinek和Jackson在《納米尺度》(Nanoscale)期刊發表了他們的論文《尺寸驅動的金屬大極化演化的普遍性》(Universality In size-driven evolution to bulk polarizability of metals)。論文表示，通過使用他們之前開發的原子級極化分析，可以通過觀察小團簇的極化特性來預測未知元素的大體積究竟是金屬還是非金屬（極化率描述了系統和材料對外部電場的反應）。此外如果一個不明元素是大塊金屬，使用同樣的小尺寸極化率數據，就可以確定其確切的化學特性。論文中另一個引人注目的發現是，所有金屬元素的團簇都以一種普遍的方式演化為大塊金屬狀態，這種演化由基於極化率的特徵Jellinek和Jackson稱為「金屬度」來衡量。

圖表示由尺寸引起的金屬丰度轉變，這種轉變以一種普遍的方式發生在所有金屬元素中，這種轉變是由稱為金屬丰度的偏振性特徵來衡量。隨著團簇尺寸的增大，它們逐漸變成金屬，並從內部排出一個外部電場(金屬中的法拉第籠效應)。圖片：Argonne National Laboratory

Jellinek說：我們在金屬物理學中引入了一個新的通用常數和新通用比例方程。新標度方程使科學家能夠根據金屬元素相應的體積極化率來確定任意大小團簇的極化率變得簡單明了。在過去，這將需要對每個個案進行冗長而昂貴的計算。用這些通用公式計算，原本需要幾天、幾周甚至幾個月才能覆蓋各種尺寸的物體，現在只需幾分之一秒。也許最重要的是，這項研究代表了建立納米材料科學基礎的重要一步；它對理解體積金屬態的大小演化作出了根本性的貢獻。這項研究包括了一些可能的例外情況（稱之為「外來金屬」）如果將來能找到它們的話。

對耶利內克個人來說，在阿爾貢工作了31年多，最近剛剛獲得了退休的職位，這一發現尤其令人滿意——也令人驚訝，因為他和傑克遜最初希望找到別的東西。起初希望在不同的金屬元素群體中建立更小範圍的共性，但對結果沒有達到預期感到失望，但後來他們發現，不同群的行為方式是一致的。在科學中，當一些東西以不同於你預期的方式出現時，往往會被證明是新的和有趣的。然而，發現具有普遍性的東西是非常罕見的。傑里內克稱這個結果是他在漫長而傑出的職業生涯中所做的最好的事情之一。當你得到一些基本的和真正新的東西時，這是一種其他任何東西都無法替代的獎勵。下一個任務是試圖發現可能的共性，甚至是普遍性，在尺寸演化到非金屬元素的體積狀態。

博科園-科學科普｜by Brett Hansard, US Department of Energy

研究/來自：美國能源部

參考期刊文獻:《Nanoscale》

論文DOI：10.1039/C8NR06307A

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