超原子與超原子晶體

■近代以前，人們嘗試透過各種化學方法將不同金屬轉變為黃金，即所謂的「煉金術」。科學家利用這種概念，找出設計新材料的可能性。

撰文｜陳奕廷

關於煉金術，學過原子說的我們都知道，不同的金屬由不同原子組成，不可能透過一般的化學方法改變原子的種類。儘管如此，煉金術所累積的知識對現代化學有深遠的影響，就連化學(Chemistry)這個名字也是源自於煉金術(Alchemy)。1980年代，科學家提出「超原子(Superatom)」的概念。雖然原子的種類和性質不能被改變，但我們可以透過一般的化學方法改變超原子的物理及化學性質。

超原子其實就是一個巨大的原子團，或稱原子簇。電子傾向集中於各個原子簇，而不是平均散佈在整個材料中。這種遠大於原子卻又表現原子獨有性質的物質，我們叫它超原子。超原子可以表現出與其組成原子截然不同的性質。例如：銀超原子看起來像是金超原子，堪稱是現代煉金術！

●超原子的物理和化學性質

鋁(Al)是常見的超原子種類之一，其中由 和 分別表現鹵素和鹼土族的性質。[1]不僅如此，相較於有高反應性的鋁，13個鋁原子組成的超原子並不和氧氣產生反應。美國化學家卡特圖曼曾描述：「這比惰性氣體還要有惰性」。超原子也能改變磁矩大小。一般原子的磁矩取決於電子的自旋和軌域排列方式。若有越多以相同的自旋或軌域排列的電子，原子的磁矩則越大。根據包利不相容原理及罕德定律，電子的排列必須遵守一系列的規則才能穩定存在。這些規則通常使磁矩互相抵銷，限制單一原子的磁性。但在超原子中，電子並不需要遵守這些規則。例如：在釩超原子中，改變超原子結構能使磁矩提高為兩倍，甚至能將反鐵磁性調變反鐵磁性。[2]

●超原子晶體及熱傳導

除了單一超原子外，超原子之間的交互作用也值得關注。如圖1a所示，鈷有一系列不同的超原子組合，包含 、 和 。S、Se和Te原子同屬於週期表上的六族元素，本身有相似的化學性質。因此，和鈷結合後，3種鈷超原子有相同的結構，可以預期它們的化學質應非常相似。但S、Se和Te有不同的原子量，使三種超原子的「超原子量」不盡相同，像極了鈷超原子有3種不同的同位素。

如圖1b所示，這些超原子能各自或和巴克球( )結合整整齊齊地排列出超原子晶體。經過X光的分析，這些相同的結構的超原子晶體，晶格常數和晶格體積有些微的差距。晶格大小和重量最直接影響的巨觀性質之一是熱傳導。在晶體裡面，熱傳導透過晶格的震盪將能量以聲波形式傳播出去，其效率基本上決定於3個因素——熱容量、平均自由徑和聲波波速。這3個數值越大，熱傳導的效率越高。前兩者難以用直覺判斷。後者決定於重量與鍵結強度，超原子越輕、距離越近，則震盪頻率高，聲波傳播速度越快。在研究[3]中， 、 和 也符合相同的趨勢。

要如何證明超原子晶體內，熱量是靠晶體的震盪來進行熱傳導呢？科學家提供兩個方法。首先，科學家比較單一超原子熱容量的理論值和超原子晶體的實驗值，發現後者比較大。兩者之間的差距指出確實有一部分的熱量儲存於晶格的震盪之中。另外，科學家發現熱量傳播的效率和超原子晶體的聲波速度呈現高度相關。這兩個現象說明了熱量確確實實地透過晶體傳播。

●由下而上(Bottom up)的製造模式

讀到這裡，你可能會有個疑問：「比起非金屬和金屬混和組成的超原子晶體，銅導線的導熱能力必定是快多了。為何我們要在意是不是以『和原子相似』的方式導熱呢？」。在許多應用中，我們並不具有選擇材料的餘裕。例如在半導體的製程中，除了材料本身的性質，材料之間的相容程度也是很大的考量。確實，「和原子相似」這個性質是超原子最浪漫，在實務上，也是最不重要的性質，但是它在設計材料上提供了我們新的思維。傳統中，在巨觀下使用化學工程或材料科技，是一種由上而下(Top down)的製造模式；相反地，超原子改變基本單位的性質，是一種由下而上(Bottom up)的模式，提供了有限選擇中改變材料的空間。有趣的是，這兩者並不能取代彼此，而是會相輔相成創造出更多的可能性！

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[1] D. E. Bergeron, Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts, Science Vol. 307, Issue 5707, pp. 231-235
[2] J. Ulises Reveles et. al, Designer magnetic superatoms, Nature Chemistry 1, 310 - 315
[3] Wee-Liat Ong et. al, Orientational order controls crystalline and amorphous thermal transport in superatomic crystals, Nature Material online (2016)

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作者：陳奕廷，台大物理系學士，史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇，歡迎互相交流。