神奇的超原子

——一種元素竟能變出所有元素

1980年代早期，科學家發(fā)現(xiàn)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(yè)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(zhì)？任何有些異常的現(xiàn)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，然后再讓其冷凝，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(shù)目竟然不是隨機的，而是特定的一些數(shù)目，例如8個、20個、40個、58個、92個……，其它數(shù)目的幾乎沒有，為什么會這樣？而且這些數(shù)目的鈉原子團很穩(wěn)定，不愿參與反應，把鈉的活潑性給丟掉了。

隨后，他們從鋁原子氣中也冷凝出了特定數(shù)目的鋁原子團，鋁原子團的性質(zhì)更讓化學家驚訝：本來喜歡與氧反應的鋁，變成原子團后，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(xù)進行實驗，更不可思議的結(jié)果出現(xiàn)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(jié)果這多了一個原子的原子團，其化學性質(zhì)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(zhì)！繼續(xù)探索，不同數(shù)目的鋁原子團竟可以模擬出周期表中大多數(shù)元素的性質(zhì)！

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(zhì)都模仿出來不成？

為什么原子聚成團后，會具有這些神奇的現(xiàn)象？是原子團內(nèi)部發(fā)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。

那么會不會這些原子團結(jié)起來，各自捐獻一些電子，組成共同的圍繞原子團旋轉(zhuǎn)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，計算發(fā)現(xiàn)，當超原子的共用電子滿足2, 8, 20, 40, 58等數(shù)時，電子們會形成穩(wěn)定的保護殼層，保護內(nèi)部的原子不被別的元素侵擾，這時的超原子異常穩(wěn)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(shù)目抱成團時，正好可以湊出最穩(wěn)定的電子數(shù)，這就是為什么鈉原子喜歡以這些數(shù)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(wěn)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(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這與非常想得到一個電子來滿足穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的氯是多么相像啊，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(wěn)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個多余的電子來滿足穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這與活潑金屬鈣、鎂的性質(zhì)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(jié)在一起，形成一個整體，相當于變成了大個的超原子，共同應付外界的環(huán)境。這些發(fā)現(xiàn)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(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多元素的超原子以及它們有趣的性質(zhì)。

除了上述鈉和鋁的超原子外，科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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(zhì)千奇百怪，是一個值得探索的化學殿堂。不同元素、不同數(shù)目的超原子都具有不同的性質(zhì)：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(jīng)足夠有魅力了：它的韌性比鋼還強，它的導電性比銅優(yōu)良，但重量只有銅的1/6，利用它可以制造出又輕便又優(yōu)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(shù)，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，鋁是什么價？我們可以說鋁13整體是-1價，那么分攤到每個鋁原子就是-1/13了？化學價是分數(shù)！超原子中單個原子的化學價通常為分數(shù)，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(xiàn)分數(shù)（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?，F(xiàn)在看來，四氧化三鐵是一種超原子結(jié)構(gòu)的化合物，具有磁性，具有分數(shù)化學價。

這些發(fā)現(xiàn)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，不知可以制造出多少獨特的化合物呢?？茖W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范圍內(nèi)，也許納米粒子的特殊性質(zhì)，與超原子關系密切呢。

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(zhì)的家族，一個元素的化學性質(zhì)可以根據(jù)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(xiàn)以來，這種指路明燈的作用已經(jīng)不那么明晰了，化學家明白，一個元素表現(xiàn)出的性質(zhì)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(tǒng)的周期表來框，就無法解釋一些元素的原子團竟呈現(xiàn)出與本元素完全不同的化學性質(zhì)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，立體周期表相當于讓傳統(tǒng)周期表有了高度，這個高度代表的就是原子數(shù)，傳統(tǒng)的周期表顯示的只是原子數(shù)為1或2時各元素所表現(xiàn)出來的化學性質(zhì)，那么原子數(shù)為3以上時的原子團的性質(zhì)就可以到不同高度對應的立體周期表中去尋找。當原子數(shù)增加，周期表向高處延伸時，元素在周期表中的位置就要發(fā)生變化了，例如在13個原子這個高度，鋁的位置投影到傳統(tǒng)周期表中，應該位于溴這個位置上，而14個原子的高度時，鋁的位置投影到傳統(tǒng)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復雜的表，想把它背下來可不容易。

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

原因是超原子的性質(zhì)雖然類似于某些元素，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(zhì)呢。例如鋁13性質(zhì)似溴，如果在多碘化合物中用鋁13來代替碘原子，那么整個化合物的結(jié)構(gòu)就會發(fā)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(chuàng)建出許多獨特的化合物來，制造出全新的材料，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(jīng)常在到達點火室之前就會被氧化掉，失去燃料的作用?？茖W家設想，若讓鋁先形成穩(wěn)定的鋁13陰離子，它就不會與氧或別的物質(zhì)反應了，然后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(tài)。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(shù)據(jù)的磁盤。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(fā)生變化，可以用于特殊用途。

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(diào)控分子化學性質(zhì)的魔法，這是一種科學“煉金術(shù)”，通過增加或減少原子數(shù)目就可以調(diào)整分子，讓物質(zhì)“變出”我們需要的性質(zhì)。將來還不知超原子世界里會產(chǎn)生出怎樣奇特的物質(zhì)呢，簡直就像打開了潘多拉盒。