2019-01-03 20:46:01
很大的纳米尺度新发现

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想象一下,如果你能看到一小部分未识别的化学元素 - 大小不到100个原子 - 并且在你真正看到更大的积累之前知道该元素会大量变成什么类型的材料。

这一想法长期以来一直激励着美国能源部(DOE)阿贡国家实验室化学科学与工程部门名誉资深科学家Julius Jellinek的工作。他最近与中密歇根大学物理系教授长期合作者Koblar Jackson的发现有可能极大地影响纳米科学的学科。

根据Jellinek的说法,将大量元素和材料分类为不同类型 - 金属,半导体和绝缘体 - 已得到很好的建立和理解。但是纳米尺度上材料类型的识别并不是那么简单。事实上,尽管广泛使用“纳米材料”这一术语,但纳米级材料科学尚未得到充分发展。

“非常少量的元素和化合物,或纳米量,与它们的大量对应物的行为非常不同,”Jellinek解释说。例如,大量金属元素的小原子团簇在尺寸增大时仅具有金属特征。

这种现象被称为尺寸引起的向金属性的转变,它促使Jellinek和Jackson提出这样的问题:是否有可能仅仅根据它在有限范围内展示的特性来预测大量未知元素的材料类型。 subnano到nano尺寸的régime?

答案结果是有力的,有点令人惊讶,“是的。”

在他们的论文中,“纳米尺度,Jellinek和杰克逊”杂志在2018年10月7日发表的一篇文章“大尺寸驱动的向金属体极化极化的演化”中表明,通过使用他们先前开发的极化率的原子级分析,他们通过观察其小团簇的极化性质,可以预测未识别的元素是否是大量的金属或非金属。 (极化率描述了系统和材料如何响应外部电场。)

此外,如果未识别的元素是散装金属,使用相同的小尺寸极化率数据可以确定其确切的化学特性。

本文报道的另一个引人注目的发现是,所有金属元素的簇都以普遍的方式演变为大块金属态,正如基于极化率的特性Jellinek和Jackson称之为“金属度”。 Jellinek说:“我们在金属物理学中引入了一种新的通用常数和新的通用标度方程。”

新的比例方程使科学家能够轻松,直接地根据元素相应的体极化率确定任何金属元素的任何尺寸簇的极化率。过去,这需要对每个案例进行冗长且成本高昂的计算。 Jellinek说:“使用这些通用方程式,现在需要几天,几周甚至几个月来覆盖一系列尺寸需要几分之一秒。”

也许最重要的是,该研究代表了建立纳米材料科学基础的重要一步;它对理解尺寸向大块金属态的演变做出了重要贡献。 (Jellinek说,这项研究包括一项可能的例外规定 - 他称之为“异国金属” - 如果将来发现的话。)

对于Jellinek个人而言,在Argonne工作超过31年并且最近担任退休职位之后,这一发现特别令人满意 - 而且令人惊讶,因为最初他和杰克逊期待找到别的东西。

“起初我们希望在不同的金属元素组中建立一个较小规模的共性,我们很失望,结果并没有达到预期,”他说。 “但后来我们看到不同的群体以一种普遍的方式行事。在科学中,当某些东西出现的不同于你所期望的东西时,往往会变得新颖有趣。但是,发现一些普遍存在的东西是非常罕见的。 “

Jellinek称这一结果是他在漫长而杰出的职业生涯中所做的最好的事情之一,并补充说:“这就是为什么成为一名科学家很有趣。当你获得一些基本的和真正新的东西时,这是一种奖励,没有别的东西可以取而代之。接下来的任务是试图揭示可能的共性,甚至是普遍性,在大小上演变为非金属元素的大量状态。“

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