新闻与视点：超原子带来新兴学科的前景
新闻与视点
超原子团簇的结构和功能特性研究具有重要的基础意义和应用价值。吉林大学王志刚教授研究组结合自身长期从事相关研究工作，提出随着基于原子层次功能基元的新型材料和器件的研究越发重要，可作为功能基元的超原子相关基础研究将会得以促进，尤其可能会进一步衍生出基于超原子的新兴学科方向。该工作已在Science Bulletin 2018年第7期以News & Views的形式发表。
超原子来源于团簇科学的发展进步，虽然目前其规律性的认识在进一步深化中，但不同的提法有共同点：作为稳定的团簇，超原子具有高的点群对称性，并因而具有类似于原子电子轨道对称性的团簇分子轨道。由此，超原子可展现原子的电子结构特性，同时又兼具与核运动相关（如：电子-振动耦合等）的多方面新效应。这样相比于原子，超原子会具有更为丰富的物理内涵。并因此可预见，超原子不仅会充实传统的原子分子物理，更会因为以超原子为基本研究对象，或以其作为基本的功能单元，而可能带来新兴的领域方向。
图1： 代表性的超原子结构。(a) Al13超原子团簇展现了类似Cl原子的电子壳层排布特性,(b) C60超原子间的作用展现了类似原子间成键的特性。
原子是化学反应不可再分的基本微粒，也是组成物质的基本单元，其物理规律认识过程对超原子具有重要的基础和借鉴意义。历史上，对原子进行的研究直接发展出原子物理学，并极大地推进了量子力学的诞生和完善。基于量子力学对微观体系电子结构的求解被确立为是原子层次，这个视角促进了对以原子为单元所组成物质世界的基本认识。从原子出发，不仅产生了物理学的诸多学科，并在当今的化学、材料、生命科学，乃至在这些基础学科之上的所有相关应用中，都发挥着重要甚至决定性的作用。超原子，作为可部分展现原子特性的微观团簇结构，对其原子层次的认识，可为诸多学科提供基本素材。
如果从质谱实验上发现的一些团簇峰量获取的经验总结算起，人们注意到超原子结构特性研究已经可认为有超过30年的历史了。而在2000年之后，一些标志性的超原子系统陆续被揭示。如:C60, Au20及碳基、币族金属类包覆的诸多结构等，近期的研究也指出，B40这一新发现的基于硼原子笼型结构也可展现出超原子特性。组成种类繁多超原子系统的元素，如：单质中的碳、硼、币族金属等；内嵌结构中的过渡金属、锕系、镧系等，几乎囊括了当前主要关注的元素种类。而超原子系统的结构，更是进入到了已经被熟知的传统“纳米”范畴。这就产生了一个基本问题，超原子，是否可归类为“纳米”？其实，简单地从字面理解，超原子是个物质的种类，而纳米，是一个长度尺度概念，这二者本应无可比之处。而如果把“纳米”指代为纳米尺度的物质，那我们确实有必要澄清，超原子与现今兴起于20世纪后期通常意义上的“纳米”有何异同。显然的，纳米尺度上超原子团簇的发展，离不开“纳米”科学与技术的兴旺。但，我们一旦进入或者说是引入超原子，则其内涵确实不应再被理解成是一般意义上的“纳米”。一个可能较为重要的方面，就是体现在超原子团簇在结构特性上，与我们通常认识或者说被重视的具有大比表面积为特征的纳米物质具有明显区别。大的比表面积特性与原子数目的增减并无明确关联。而超原子却明显不同，原子数目哪怕只是一个的增减，都会因构象改变，进而对电子结构产生明显影响，这样超原子的性质就变化了。如此可见，超原子展现了其原子层次上（价）电子具有离域性的特点，其与纳米在一般意义下的鲜明区别可见一斑。这也凸显出，我们更应该用原子层次的视角来认识理解超原子，用原子层次的办法来调节操控超原子。
以超原子为单元，即可实现过去以原子为单元的功能特性，同时又可能超越以原子为物质单元的限制，实现在诸多方面高性能乃至颠覆性的应用。其原因可简单理解：地球上自然可稳定存在的元素原子只有90多种，用原子为单元应用于量子、经典等各物理范畴，乃至推广到以物理学为基础的化学、生命科学等大千世界。而我们知道，即使是生命体的食物消化过程，也不需要最后将摄取物分解为原子，而是只需分解为一系列小的氨基酸，或者更小的水和二氧化碳分子，以参与到生命循环中。可见，组成物质的最小单元是原子，但功能的最小单元可以“大”些。由此，既然超原子可以实现原子的某些功能，它就已经有潜质被用于替代原子作为功能单元了。更何况，由于从原子生成的超原子，其丰富程度远不止90种，甚至可以说几乎无穷尽。由此就有了可能，找到符合特定需求的超原子功能单元，就是在一定程度上实现了超越自然界“天然”赋予人类的制造能力。目前，在高温超导、新型光源、反应催化等诸多方面，超原子已经开始展现出作为新功能单元的潜质，展现了可能的高效性乃至颠覆性。甚至，将不同的潜在功能特性和相应超原子结构物理机制、物理参数对应起来，以进行规律性功能特性超原子设计的数据库研究（也就是“超原子元素周期表”概念）被提出。这为摆脱长期以来过多依赖经验性总结的探索方式带来了曙光，并必然将极大地促进智能化功能设计的进步。
图2 ： 代表性基于超原子组装形成的材料结构。
(a)三维组装，（b）二维组装。
如何让超原子发挥出功能基元的作用？除了实现以单个超原子团簇构建的功能器件外，还必须看到，从超原子个体进行组装形成大块带有一定功能的材料，是超原子实现功能化价值的重要途径。如果说，单一超原子团簇的问题更多涉及到物理学范畴，那么，从超原子到组装成能够保持超原子特性的大块材料则必然离不开化学、材料科学等诸多学科方面的支持。而未来再更加进步，实现超原子功能化的应用乃至到大规模产业化，则是会需要与太多的相关自然科学和应用科学、工艺等联系在一起。不同学科领域，都需要通过进一步的发展乃至更多的交叉融合，才能囊括超原子发展的需求范畴。因此，以超原子为标靶或前提所开展的不同领域研究，有希望发展出新的学科方向。一个简单的举例来更加阐释这个问题。众所周知，建立在量子力学基础上的原子结构与光谱学，是理解并应用原子特性的重要基础。而超原子，其离域的价电子轨道可以展现出类似原子中电子壳层排布的特点，由此可以使用熟悉的原子结构描述和标记方法，这为我们理解超原子的电子结构规律提供了便利条件。而另一方面我们知道，孤立的原子可看做是三维球对称性的，而超原子却不同，它亦可以展现出二维对称性。这就使得超原子在电子跃迁等方面，必然与自然原子有差异。更何况我们还知道，超原子是基于原子间位置关系而形成的构象，其原子间的核振动也参与到辐射跃迁中。由此，为了理解并应用超原子的基本特性，我们必须建立既有原子结构与光谱学的影子，但又必须适用于超原子这些特殊性的结构和光谱学理论，而这面对的还仅是单纯孤立超原子个体问题研究。可见，尽管已经算得上发展了30年之久，但我们要实现超原子的物理规律性把握乃至未来功能化应用，仍可谓是任重道远。
回顾诸多为世人所公认的里程碑意义科学成就，多是对学科新发展起到了重要的开创性作用，而其中科研工作者的长期坚持甚至是必不可少的关键，尤其在那些还未对重要性形成共识时的坚持。比如，与超原子光谱研究的未来发展可能紧密相关的，奠定了量子光学基础的相干性量子理论，从长期的冷门到如今的繁盛，其发展历程充满波折，而类似的例子比比皆是。对超原子规律的探索，乃至是向着应用方向的努力，如今仍处在发展初期，必然需要大量开展相关的研究工作。基于当前发展现状，兹认为以原子层次功能基元获得颠覆性的新功能材料乃至器件是有重要前景的。超原子团簇作为规律可把握的原子层次功能单元，明显契合了这一发展前景，从而为自身面向以物理学为基础的不同学科领域融合发展赢得了重要契机。只要捋清相关应用与基础研究的关系脉络，并行发展并不矛盾。而且，可以因为必要的导向，促进超原子研究有的放矢和相关资源更为合理化分配，由此找到有利于超原子研究良性发展的道路方向，从而带来超原子相关新兴学科的光明未来。
Emerging disciplines based on superatoms: a perspective point of view
——Science Bulletin, 2018, 63(7)：395-397
DOI：10.1016/j.scib.2018.03.005
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