团簇研究

团簇物理研究王丽丽摘要：团簇物理在发展过程中，从原子核物理、凝聚态物理和原子分子物理等学科引入了许多概念和方法，构成团簇研究的中心议题，逐渐形成一门介于原子分子物理与凝聚态物理之间的交叉学科。

文章对团簇物理作了简单介绍，从团簇的概念、发展史、研究范畴到它的性质、研究方法。

作为一个初学者，利用gussian03程序包对二、三小原子团簇的结构进行了计算，算出了键长与键角并分析了它们的结构。

关键词：团簇，gussian03，团簇结构，密度泛函理论（DFT）模型STUDY ON CLUSTER PHYSICSAbstract: In the development of claster physics many concepts and methods have been introduced from atomic and molecular physics ,nuclear physics and matter physics , forming an interdisciplinary field between atomic and molecular physics on the one hand and condensed matter physics on the other .Key words: claster ,gaussian03, structure of claster, DFT1、引言团簇的研究开始于上个世纪七十年代，到了八十年代有了较大的发展。

由于团簇的知识构成的特殊性，即它是从原子分子物理、凝聚态物理、表面科学、量子化学、材料科学，甚至核物理学引入了概念和方法，构成其知识框架。

所以团簇物理是一门交叉学科，它的研究需要掌握原子分子、量子化学、凝聚态、电子计算机技术等一系列的知识。

在前一阶段的调研中我阅读了王广厚的《团簇物理学》，这本书较全面的介绍了团簇的合成、结构、性质等，还有四川大学毛华平的博士学位论文《金、铜、钇小团簇的几何结构、势能函数、能级分布和电子特性研究》等一些文章涉及到团簇的性质的研究，对于结构的计算只是简单介绍而没有具体阐述。

《基于C60团簇组装的狄拉克材料计算研究》篇一一、引言近年来，狄拉克材料因其独特的电子性质和潜在的应用前景，已成为材料科学领域的研究热点。

C60团簇作为一类具有独特结构和优异性能的分子团簇，为构建狄拉克材料提供了理想的候选材料。

本文旨在通过计算研究，探讨基于C60团簇组装的狄拉克材料的结构和电子性质。

二、C60团簇及其组装方式C60团簇由60个碳原子组成，具有三维的球形结构，每个碳原子与其他三个碳原子通过共价键相连，形成稳定的分子团簇。

在组装过程中，C60团簇可以按照不同的方式组合，形成具有不同结构和性质的复合材料。

本文将主要探讨基于C60团簇的二维组装方式，即形成薄膜、晶体等二维结构。

三、计算方法与模型为了研究基于C60团簇组装的狄拉克材料的性质，我们采用了基于密度泛函理论（DFT）的计算方法。

通过建立不同C60团簇组合的模型，模拟其在真空条件下的结构和电子状态。

通过优化计算得到的结构模型，获得更接近实际体系的信息。

在计算中，我们采用平面波基组展开电子波函数，并通过交换相关能量和相互作用能的函数进行电子间相互作用的描述。

四、结果与讨论1. 结构分析通过计算，我们得到了不同C60团簇组合的二维结构模型。

这些模型在空间上呈现出有序的排列方式，C60团簇之间通过共价键或其他相互作用力紧密相连。

通过对结构模型的分析，我们发现这些材料具有优异的稳定性，能够抵抗外界的干扰和破坏。

2. 电子性质分析通过对电子结构的计算，我们发现基于C60团簇组装的狄拉克材料具有独特的电子性质。

在能级结构上，这些材料表现出明显的狄拉克锥形状，即电子在费米能级附近呈现出线性的色散关系。

这表明这些材料具有优异的导电性能和电子传输能力。

此外，我们还发现这些材料的电子性质可以通过调整C60团簇的组合方式和排列方式来进一步优化。

3. 物理性质模拟除了电子性质外，我们还对基于C60团簇组装的狄拉克材料的物理性质进行了模拟。

通过模拟不同温度下的热力学性质、力学性质等，我们发现这些材料具有优异的热稳定性和机械强度。

水合氢离子团簇和氢氧根离子团簇的理论研究的开题报告一、研究背景和意义水合氢离子团簇和氢氧根离子团簇是水溶液中重要的离子种类，在化学反应、生物学过程和地球化学等方面都有重要的应用和研究价值。

如水合氢离子团簇在溶液中起到酸性催化剂的作用，对于有机合成和酸性反应有着重要作用。

而氢氧根离子团簇则是强碱性离子，它的存在与浓度与pH值的变化直接关系到化学反应和生物学过程的进行。

目前，关于水合氢离子团簇和氢氧根离子团簇的研究主要集中在实验方面，而基于理论的计算方法尚未进行深入研究。

因此，开展水合氢离子团簇和氢氧根离子团簇的理论研究，对于深入了解其结构、性质和动力学行为具有重要的学术和应用价值。

二、研究内容和方法本研究将采用量子化学计算方法，对水合氢离子团簇和氢氧根离子团簇进行理论计算和模拟。

具体研究内容包括以下几个方面：1. 水合氢离子团簇的热稳定性和结构特征的研究。

采用密度泛函理论(DFT)计算簇团分子的能量、熵、焓以及自由能等热力学性质，分析其热稳定性和结构特征；同时，利用分子动力学(MD)方法模拟簇团的结构动力学行为，进一步探究氢氧离子对水合团簇的影响。

2. 氢氧根离子团簇的溶解特性和反应机理研究。

采用分子对接(Docking)和分子动力学(MD)方法，研究氢氧离子团簇在溶液中的反应动力学过程；同时，探究化合物的构效关系、结构性质和反应机理。

3. 簇团分子在水溶液中的作用机理研究。

通过计算和模拟得到簇团分子与水溶液中其他离子的相互作用，从而探究簇团在溶液中的作用机理。

三、预期结果和展望通过本研究，预期能够得到水合氢离子团簇和氢氧根离子团簇在水溶液中的结构、性质和动力学行为的关键信息，进一步深入了解其在化学反应、生物学过程和地球化学等方面的作用机理，并为相应领域的研究提供新的理论基础和实验设计思路。

同时，本研究也将为探索前沿材料、化学和生物学等学科交叉的研究提供新思路和方法。

第17卷　第2期大学化学2002年4月今日化学 纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用胡效亚Ξ　陈洪渊ΞΞ(南京大学化学化工学院　南京210093) 在对自然世界客观规律的探索中,研究对象的三维空间尺寸从大的方面说,利用射电天文望远镜已将视野延伸到200亿光年之遥的广漠太空;从小的空间而言,对“基本粒子”的穷究越来越往更小的单元延伸。

17世纪的自然科学家依靠个人的努力即可对宏观世界揭示出具有普遍意义的科学定律和自然界的基本规律,如今则需要学科渗透、交叉和联合。

化学家长期以分子、原子作为研究对象,曾忽略了对分子以上层次的研究。

如今,尽管包括化学家在内的广大科学家对分子以上、100nm以下的尺寸范围即介观层次的纳米微粒的艰辛研究已有二三十年,取得了可喜的成绩,但还仅仅处于起步阶段。

纳米粒子以其在三维空间中特殊范围的尺寸,展现了人们还不太熟悉的世界的另一面,给人类带来了新的认识、新的惊喜和新的希望,也将给我们的生活和社会带来新的色彩和变化。

从前科学家以宏观世界为基础建立的力学体系和以微观世界为基础建立的量子物理学和量子化学等一系列理论和规则,对介于宏观和微观之间的所谓介观世界(如纳米材料和超分子材料等)是否适用,需要重新认识和研究。

如今纳米材料正在各个领域被广泛地研究和应用,如量子器件、能量贮存、催化反应、新型材料、生物医学检测和宇航工业等等。

下面仅就纳米材料特性及其组装和在分析化学方面的应用研究的最新进展作一简要介绍。

1　纳米粒子的特性 现在普遍认为直径在1～100nm尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。

这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100nm以上的粒子有着明显的区别,但对其性质远没有深入研究。

迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm,而光刻的最小尺寸也只能接近100nm (Intel公司Pentium III微处理器使用的光刻技术达到180nm),胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。

第5期2020年10月No.5 October，2020纳米材料被称为“21世纪最有前途的材料”。

19世纪60年代，胶体微粒的成功研制标志着纳米材料研究之路的开启。

直到20世纪80年代，德国一位教授成功制备出了世界上第一块纳米材料[1]，其由粒径为6 nm 的金属铁粉原位加压而成。

目前，纳米材料涉及物理学、化学、环境学、医学等诸多领域[2]。

纳米材料是指由特征尺寸在1~100 nm 的极细颗粒构成的一种材料[1]。

对纳米材料的研究加深了人类对客观世界的认识，这将成为未来化学一个重要的切实可行的发展方向。

人们从20世纪60年代开始就对过渡金属团簇混合物进行研究。

近些年，金纳米晶体和金纳米团簇已经引起了科学家们的广泛关注，因为其不仅稳定，而且具有独特的光学和电学物理性质、化学性质以及催化性能。

金纳米颗粒包括金纳米晶体和金纳米团簇，其特殊结构必将使其成为21世纪至关重要的新型发展材料[1]。

1 金纳米团簇的合成与制备目前，金纳米团簇的制备合成方式主要有：（1）直接合成方法。

（2）配体刻蚀法。

（3）反伽伐尼还原法[3]。

1.1 直接合成法直接合成法是应用金纳米团簇在不同溶剂中的溶解度的差别，使其可以与其他杂质分离，达到提纯目的。

这类合成与分离方式为以后获得单晶结构提供了重要的基础。

在2007年，有学者利用金纳米团簇在不同溶剂中溶解度不同的特点对合成方法进行了改进，通过控制温度和还原剂加入时的速度等方法，成功地获取了大小均匀一致而且产率较高的[Au 25(SR)18][4]。

1.2 配体刻蚀法在使用配体刻蚀法制备金纳米团簇时，最主要的是要合成Au 38。

首先让GSH 作配体，利用直接合成法先合成出Au-SG 前驱体，其次用硼氢化钠还原[5]，在反应完成后，将过量的GSH 和其他杂质洗净，最后在高温下用过量苯乙硫醇除掉黑色的产物，得到最终产物Au 38。

为了能够更好地了解运用配体刻蚀法时金纳米团簇尺寸逐渐集中的过程，有学者利用紫外-可见吸收光谱仪和基质辅助激光解吸电离（MatriX Assisted Laser Desorption Ionization ，MALDI ）质谱仪器对这个过程进行观测[3]。

发光银纳米团簇的合成及发光机理研究发光金属纳米团簇是近几年才发展起来的一类新物质。

近年来,科研工作者发现化学合成的金、银、铜、铂等纳米结构小于一定尺寸(一般为2 nnm)可能具有强烈的发光特性。

由于发光金属纳米团簇在生物探针、细胞成像、化学催化等多个方面具有广泛的应用前景,所以吸引了广大科研工作者的兴趣。

但是到目前为止,此方面的研究主要集中在新型发光金属纳米团簇的合成及应用,对其发光机理方面的研究相对较少。

目前已有的理论并不能完全解释发光金属纳米团簇荧光发射的原因。

针对此问题,在本论文中我们首先使用紫外光照还原法制备了尺寸介于2-5nnm之间,粒径分布均匀,发光波长位于650nm附近的发光银纳米团簇。

并采用此模型研究了银纳米团簇的发光机理。

通过实验,我们发现制备过程中COO-:Ag+比例、pH值等参数的变化会对样品435nm以及505nnm两吸收峰的强度产生影响,但对两吸收峰位置没有影响。

所以,我们认为纳米团簇的吸收峰位置并不是由于银核中原子数目决定的。

我们建议435nm的吸收峰是由于形成的Ag(0)核中的等离子共振引起的。

这与直径为几十到几百纳米量级的Ag纳米颗粒在400nm左右的表面等离子共振吸收峰非常接近。

而505nmm处吸收峰则是由于配体上的COO-中氧原子上的电子转移到银离子后再转移到中心银原子上引起的(Ligand-Metal-Metal Charge Transfer: LMMCT).因为其发光波长一直位于650nm附近并不随制备参数的改变而改变,所以我们认为团簇中原子数目的变化对其发光波长的影响较小。

同时,我们还研究了模板剂类型对银纳米团簇的生成以及荧光发射性质的影响。

我们采用聚甲基乙烯基醚-马来酸(PMVEM)和聚苯乙烯磺酸钠(PSSS)代替PMAA,初步研究了模板剂的作用。

对于配体中含有COO-的PMVEM,其合成的Ag NC的尺寸相对较小,并且也具有较强的荧光发射。

但是对于配体中不含COO-的PSSS,能够合成类似尺寸的Ag NCs,但是没有荧光产生。

团簇文献综述团簇是一种由几个原子组成的稳定结构，可以具有特殊的物理和化学性质。

在过去的几十年中，团簇研究已经成为物理学、化学、材料科学等领域的重要研究方向。

本文综述了团簇的研究进展和应用。

团簇的研究可以追溯到20世纪60年代，当时科学家发现了一种由几个原子组成的团簇，其性质与大块材料有明显的差异。

随着实验技术的发展，科学家们开始合成不同原子组成的团簇，并对其进行了详细的研究。

研究发现，团簇的性质与其大小、形状、组成以及相互作用有密切关系。

团簇具有许多独特的物理和化学性质。

例如，纳米团簇具有特殊的电子结构和光学性质，因此被广泛应用于催化剂、传感器、电子器件等领域。

团簇在催化剂中可以提高反应速率和选择性，因为其高表面积和活性位点使得催化剂更容易与反应物发生作用。

团簇还可以用作传感器，通过改变其表面等离子共振频率或荧光性质来检测环境中的某种物质。

此外，团簇还可以用于构建新型的材料。

例如，二维团簇状材料具有较大的表面积和高度可调节性，被广泛研究用于电子器件、能源存储和传输等领域。

通过控制团簇的组成和排列方式，可以获得不同的材料性质，为功能材料的设计和合成提供了新的思路。

团簇的研究还涉及到理论模拟和计算方法的开发。

通过计算工具，可以预测团簇的结构和性质，并探索其在不同条件下的响应。

理论计算对于解释实验观察到的现象和指导实验设计有着重要的作用。

近年来，机器学习和人工智能的发展为团簇研究提供了新的方法和思路。

总之，团簇作为一种新型的材料结构，具有丰富的物理和化学性质，在催化剂、传感器、能源领域等具有广泛的应用前景。

随着实验技术和计算方法的不断发展，团簇研究将继续推动材料科学和物理化学等领域的发展。

金属纳米团簇的合成及催化性能研究金属纳米团簇是指金属原子数量在2~100个之间的纳米粒子。

随着纳米技术的发展，不同的制备方法已经被开发出来，其中包括溶剂热法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、水相法等。

合适的合成方法可以控制金属纳米团簇的大小和形状。

此外，金属纳米团簇还具有催化性能，在化学合成、环境处理等领域得到广泛应用。

一、溶剂热法合成金属纳米团簇溶剂热法是一种常见的合成金属纳米团簇的方法。

其基本步骤包括将金属前驱物和表面活性剂混合后在高温高压的溶剂中反应。

利用该方法可以合成各种金属纳米团簇，如银、金、铂、铜等。

二、物理气相沉积法制备金属纳米团簇物理气相沉积法是通过磁控溅射或电子束蒸发将金属蒸发到反应室中，然后通过控制气氛和压力使金属沉积到基底上，形成纳米团簇。

该方法可以制备出具有较好形貌和尺寸的纳米团簇。

三、化学气相沉积法制备金属纳米团簇化学气相沉积法是利用金属有机物等物质，在高温下在气相中分解生成金属纳米团簇，并使其在载体上沉积形成薄膜或粉末。

该方法可以制备出多种金属的纳米团簇，如Au、Ag、Pd、Ni等。

四、水相法合成金属纳米团簇水相法是一种简单易行的合成金属纳米团簇的方法，将金属盐和还原剂同时加入水中反应，生成纳米团簇。

此法是一种简单便捷的制备方法，它能够合成大小均匀、分散性好、化学性质稳定的高精度金属纳米团簇。

五、金属纳米团簇的催化性能金属纳米团簇在催化领域应用广泛。

它们具有许多优异的方面，在催化反应中表现出高效、高选择性、费用低等特点。

金属纳米团簇被广泛应用于化学合成、环境保护、生物医药等领域。

例如，在催化氧化反应中，金属纳米团簇具有良好的催化活性和高的选择性。

在环境处理中，金属纳米团簇可以对废水中的有害物质进行高效分解。

在生物医药领域，金属纳米团簇可以用于抗菌、抗癌等治疗方法。

六、总结金属纳米团簇的合成和催化性能研究是当前的热点领域之一。

随着纳米技术的发展，越来越多的制备方法和应用领域被发掘出来。

稀有气体小团簇研究【摘要】原子团簇是几个至上千个原子组成的相对稳定的聚集体，其性质与单个原子、分子和大块固体均不相同，例如幻数和壳层结构、热力学效应等，正为物理、化学和材料科学共同关注。

介绍形成团簇的实验质谱技术，结合Monte Carto方法模拟部分LJ团簇的结构，分析稀有气体团簇幻数规律和特性。

【关键词】团簇；幻数；质谱；Monte Carlo；比热容；键长均方根；结合能Small Rare-gas Clusters【Abstract】Atomic clusters are the aggregates of atoms in the size range from a few to thousands of the components. Their properties are neither like those for individual atoms nor the corresponding bulk, for instance, magic numbers and shell structures, thermodynamics effect, etc. They have brought great attentions among the scientists from physics, chemistry and materials science. In this article, we introduced cluster generation by mass spectrometer, then according to Monte Carlo methods, the structures of some Lennard-Jones(LJ) clusters was simulated, and many magic number properties of rare-gas clusters obtained from simulation studies, such as heat capacities, binding energies, root-mean-square (rms) bond length fluctuations and also show very irregular.【Key words】Cluster; Magic number; Mass spectrum; Monte Carlo; Heat capacities; Rms bond length; Binding energy０引言团簇广泛存在和应用于自然界和人类实践活动中，如催化、燃烧、晶体生长、成核和凝固、临界现象、相变、熔胶、照相、薄膜形成和溅射、纳米材料研究、多层复合材料、超细纤维材料等[1]。

金属团簇催化反应机理探究随着科学技术的不断进步，金属团簇催化在有机合成、能源转化和环境保护等领域中得到了广泛的应用。

金属团簇催化反应作为一种高效、可控的催化方法，具有独特的催化性能和反应机理。

本文将对金属团簇催化反应的机理进行探究。

首先，金属团簇的定义是由数个金属原子组成的纳米尺度团簇结构。

相比于传统的块体金属催化剂，金属团簇具有更高的比表面积和更多的活性位点，能够提供更多的反应活性。

金属团簇催化反应的机理主要分为原位生成和预生成两种形式。

原位生成机制是指金属团簇在反应过程中由原料中的金属离子或金属原子形成的过程。

在原位生成机制中，金属团簇的形成与反应间隙、表面活性、金属离子浓度、络合剂的存在等因素密切相关。

金属原子或离子在反应物中通过吸附、扩散、吸附、原子聚集等步骤形成金属团簇，并在反应中起到催化剂的作用。

原位生成机制的特点是反应过程中金属团簇的形态和组成可以随反应条件的变化而改变。

预生成机制是指金属团簇在反应前通过化学合成方法制备得到，并直接应用于反应过程中。

预生成机制的优势在于可以控制金属团簇的形貌、尺寸、组成和分布等结构参数，从而调控金属团簇的催化性能。

预生成的金属团簇催化剂通常需要进行修饰或包覆处理，以提高其稳定性和分散性。

预生成机制的特点是反应过程中金属团簇的形态和组成基本保持不变。

除了原位生成和预生成机制，金属团簇催化反应还涉及到一系列反应步骤和中间体物种的形成和转化。

例如，金属团簇催化的加氢反应常常涉及金属原子的氢化、吸附、反吸附和解离等反应步骤。

金属团簇还可以通过与底物反应生成中间体，中间体与金属团簇相互作用并发生转化，最终形成产物。

这些中间体物种的生成和转化对于金属团簇催化反应机理的解析非常重要。

此外，金属团簇催化的反应机理还受到溶剂、温度、压力、反应物种浓度等条件的影响。

溶剂可以与金属团簇发生配位作用，影响反应物种的吸附和转化。

温度和压力可以调控金属团簇的热力学和动力学性质，从而影响反应速率和选择性。