金原子团簇形成独特的金字塔形状

将20个橙子的模型与理论和实验结构进行了比较。图片：鲁汶大学

研究人员发现，由20个金原子构成的独立簇呈金字塔状。与大多数元素相反，大多数元素通过在一个中心原子周围形成壳来组织自身。由鲁汶大学（KU Leuven）领导的研究团队在“科学进展”（Science Advances）中发表了他们的研究结果。

由几个原子组成的原子簇往往是球形的。它们通常组织在围绕中心原子的原子壳中。事实证明，许多元素都是这种情况，但黄金却不是。实验和计算表明，由20个金原子构成的独立簇呈金字塔形状。它们有一个由10个整齐排列的原子组成的三角形底平面，另外还有六个和三个原子的三角形，上面有一个原子（请参见图中将二十个橙子的模型与理论和实验结构进行比较的图）。

现在，使用扫描隧道显微镜首次对显着的四面体结构进行了成像。这种高科技显微镜可以可视化单个原子。它在极低的温度（零以下269度）下运行，并使用电流的量子隧穿作用从尖锐的扫描金属尖端穿过簇并进入支架。量子隧穿是电流在两个导体之间流动而彼此之间没有任何物理接触的过程。

扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜原理图

研究人员在复杂的真空室中使用了强等离子体，从宏观的金块中溅射出金原子。该论文的主要作者Li Zhe，哈尔滨工业大学（深圳），说：“由于与水分子凝结成液滴的过程相当，部分溅射的原子一起长成几个至几十个原子的小颗粒。”。“我们选择了一束由正好二十个金原子组成的簇。我们用一个三角形的小平面将这些原子降落到覆盖有非常薄的氯化钠（NaCl）层的基底上，恰好是三个原子层厚。”

研究还揭示了小金字塔的独特电子结构。与稀有气体原子或芳香族分子相似，该团簇仅具有完全填充的电子轨道，这使其与具有一个或几个原子的团簇或多或少地相比具有更低的反应性。

众所周知，金原子簇的大小从几个原子到几十个原子不等。这一新发现帮助科学家评估了这些团簇的催化和光学性能，这与设计基于团簇的催化剂和光学装置有关。团簇的最新应用包括在燃料电池中的利用和碳捕获。