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神奇的超原子 ——一种元素竟能变出所有元素 麦堆不论由多少麦粒组成，都是麦子；铝不论由多少铝原子组成，它都是金属铝；一种元素不论由多少原子组成，它都是那种元素，不会变成别的元素；化学家一直都是这么认为的。然而，化学家大错特错了。 令人震惊 原子团把本元素的“脸”丢尽了 1980年代早期，科学家发现6个铝原子组成的原子团竟然能够催化氢分子的分裂，其催化性能与金属钌（化学工业中常用催化剂）相似，6个原子的铝原子团竟然具有了钌元素的性质？任何有些异常的现象都不会躲过科学家好奇的头脑，他们同时对铝和钠开展了类似的研究。 为了获得钠原子团，他们让金属钠先变成气体，然后再让其冷凝，从冷凝的钠滴中，他们检测出了钠原子团。只是出乎意料的是，组成原子团的钠原子数目竟然不是随机的，而是特定的一些数目，例如8个、20个、40个、58个、92个……，其它数目的几乎没有，为什么会这样？而且这些数目的钠原子团很稳定，不愿参与反应，把钠的活泼性给丢掉了。 随后，他们从铝原子气中也冷凝出了特定数目的铝原子团，铝原子团的性质更让化学家惊讶：本来喜欢与氧反应的铝，变成原子团后，有些原子团（例如13个、23个、37个铝原子组成的原子团）不但不与氧反应，还会像氯那样喜欢夺取“人家”的电子，其夺取电子的能力甚至超过了碘，跟溴有点像！这时的原子团简直就像超大个的溴原子，金属原子一旦聚成合适的群体，竟然“叛变”成了非金属！这太让人不可理解了。 继续进行实验，更不可思议的结果出现了！当给类似溴的铝13（13个铝原子组成的原子团，以下也用类似的方式称呼别的原子团）塞入一个铝原子，让它们14个“弟兄”抱成团，结果这多了一个原子的原子团，其化学性质又变回来了，变成了金属，变得比铝还活泼，与镁、钙等相似了！这时的铝原子团又好似超大个的镁原子或钙原子了。 更令人震惊的是，多个铝原子团以一定方式组合在一起，还会具有类似苯的有机物的性质！继续探索，不同数目的铝原子团竟可以模拟出周期表中大多数元素的性质！ 太神奇了，一个铝元素难道要把整个周期表上的所有元素的性质都模仿出来不成？ 了不得！原子变成了超原子 为什么原子聚成团后，会具有这些神奇的现象？是原子团内部发生了化学反应？应该不会，化学反应牵扯到一方夺取电子，一方失去电子，这些原子团都是同样的原子扎堆，谁也争夺不过谁。 那么会不会这些原子团结起来，各自捐献一些电子，组成共同的围绕原子团旋转的电子保护层？这种猜测有点靠谱。 当化学家把原子团当做一个巨大的原子——超原子来看待时，计算发现，当超原子的共用电子满足2, 8, 20, 40, 58等数时，电子们会形成稳定的保护壳层，保护内部的原子不被别的元素侵扰，这时的超原子异常稳定，就像惰性气体那样。而一个钠原子会贡献一个外层电子，因此钠原子们以2, 8, 20, 40, 58等数目抱成团时，正好可以凑出最稳定的电子数，这就是为什么钠原子喜欢以这些数目扎堆了。 而一个铝原子可以贡献3个外层电子，13个铝原子组成的原子团就可以凑出39个共用电子，距离可形成稳定保护层的40个电子就差一个电子，因此铝13超原子非常想再得到一个电子来满足稳定的结构，这与非常想得到一个电子来满足稳定结构的氯是多么相像啊，因此，铝13超原子实际上具有类似氯、溴、碘的化学特性。类似的分析，14个铝原子则凑出了42个共用电子，比稳定的40个还多了2个电子，因此铝14超原子非常想丢掉这2个多余的电子来满足稳定的结构，这与活泼金属钙、镁的性质相似，因此铝14超原子像巨大的钙原子，就不足为怪了。 由此可见，原子们不是随随便便扎堆的，但一旦扎堆就会团结在一起，形成一个整体，相当于变成了大个的超原子，共同应付外界的环境。这些发现让研究者兴趣大增，开始沿着周期表寻找更多元素的超原子。至今为止，他们已经发现了许多元素的超原子以及它们有趣的性质。 各种超原子的有趣特性 除了上述钠和铝的超原子外，科学家已经发现许多金属都可以形成超原子；混杂的金属也可以形成超原子，例如1个钒原子与8个铯原子可以组成超原子；一些化合物也可以，例如3个氟化氢可以组成超原子；碳、硅等非金属也照样能形成超原子。 超原子的性质千奇百怪，是一个值得探索的化学殿堂。不同元素、不同数目的超原子都具有不同的性质：它们不但可以模仿其它元素，有的还会获得磁性，有的则具备了半导体甚至超导体的潜力。例如铂13超原子以及金25超原子都会有磁性，而我们知道金或铂是没有磁性的。 其实碳原子组成的富勒烯笼子也是一种超原子，富勒烯已经足够有魅力了：它的韧性比钢还强，它的导电性比铜优良，但重量只有铜的1/6，利用它可以制造出又轻便又优良的非金属电路板、电线。它作为特殊的光学材料、磁性材料或超导材料也不逊色。 学过化学的人都知道，一个元素的化学价一般是整数，例如，失去两个电子的镁是+2价，失去3个电子的铝是+3价，得到两个电子的氧是-2价……你有没有想过，得到一个电子的铝13超原子中，铝是什么价？我们可以说铝13整体是-1价，那么分摊到每个铝原子就是-1/13了？化学价是分数！超原子中单个原子的化学价通常为分数，这也是超原子的一个特性。至此，一个长期以来争论不休的问题可以解决了，铁在纯氧中剧烈燃烧生成有磁性的四氧化三铁，长期以来，人们对四氧化三铁是纯净物还是混合物争论不休，因为人们认为铁的化学价不应该出现分数（四氧化三铁中，铁是+8/3价），因此许多人认为四氧化三铁是三氧化二铁与氧化亚铁的混合物。现在看来，四氧化三铁是一种超原子结构的化合物，具有磁性，具有分数化学价。 这些发现非常重要，它打开了超原子化学宝库的大门，用这些个性古怪的超原子，不知可以制造出多少独特的化合物呢。科学家猜测，绝大部分元素应该都可以形成超原子。而超原子的大小在纳米范围内，也许纳米粒子的特殊性质，与超原子关系密切呢。 元素周期表需要增加厚度 门捷列夫的元素周期表把元素们合理地分成一些具有相似性质的家族，一个元素的化学性质可以根据它在周期表中的位置推测出来。一个多世纪以来，它一直是化学家的指路明灯。但自超原子出现以来，这种指路明灯的作用已经不那么明晰了，化学家明白，一个元素表现出的性质不仅与它在周期表中的位置有关，更重要的是，还与它是由几个原子组成的有关。如果还按照传统的周期表来框，就无法解释一些元素的原子团竟呈现出与本元素完全不同的化学性质来。 化学家们正在考虑建立一个三维立体的元素周期表——超原子元素周期表，立体周期表相当于让传统周期表有了高度，这个高度代表的就是原子数，传统的周期表显示的只是原子数为1或2时各元素所表现出来的化学性质，那么原子数为3以上时的原子团的性质就可以到不同高度对应的立体周期表中去寻找。当原子数增加，周期表向高处延伸时，元素在周期表中的位置就要发生变化了，例如在13个原子这个高度，铝的位置投影到传统周期表中，应该位于溴这个位置上，而14个原子的高度时，铝的位置投影到传统周期表中，又变到钙这个位置上了。有点像沿着不同高度切枣糕，枣的位置也在到处变换一样。以此类推，不同元素在不同高度，投影下来的位置都不一样，可见，三维元素周期表将是一个很复杂的表，想把它背下来可不容易。 超原子打开了潘多拉盒 也许你会觉得多此一举，既然铝13像溴，那么在化学反应中直接用溴不就行了吗？何苦要理会那么大个的原子团呢？ 原因是超原子的性质虽然类似于某些元素，但是毕竟不是等同，它们是巨大的原子团，还具有其它让你意料不到的性质呢。例如铝13性质似溴，如果在多碘化合物中用铝13来代替碘原子，那么整个化合物的结构就会发生巨大的变化，形成全新的超原子化合物。因此，利用超原子可以创建出许多独特的化合物来，制造出全新的材料，例如在聚合物中用铝13代替碘，可以提高聚合物的导电性；而铝超原子在水中还会自动把水分解成氢气呢…… 有关超原子的另一个极有用的能力是它们可以把元素保护起来，到需要的时候，再解除保护。例如，铝可以被作为有效的添加剂加入固体燃料中，因为它在燃烧时可以放出大量的能量。但有一个问题，超细的铝粉是很活泼的，经常在到达点火室之前就会被氧化掉，失去燃料的作用。科学家设想，若让铝先形成稳定的铝13阴离子，它就不会与氧或别的物质反应了，然后把它们与燃料充分混合，到用的时候，再想办法让其回到活泼的状态。这个想法可行而又有吸引力，得到了美国空军科研部和美国能源部的大力支持。 具有磁性的超原子可以做成存储数据的磁盘。有的超原子的磁性还会在某些条件下打开和关闭，例如金25超原子在不带电的情况下有磁性，带负电的情况下，磁性消失，一个分子就可以做成一个磁性开关！有的超原子的独特导电性，也可以做成分子电子仪器。 还有些超原子组成的材料能自动汇聚光线，类似凸透镜聚光的功能，却不需要费力把材料打磨成凸面；有的超原子材料透明度会随光的强弱而发生变化，可以用于特殊用途。 像这类应用还都是枝枝叶叶，最重要的是，超原子领域为化学家打开了全新的广阔的视野，为他们提供了一种灵活调控分子化学性质的魔法，这是一种科学“炼金术”，通过增加或减少原子数目就可以调整分子，让物质“变出”我们需要的性质。将来还不知超原子世界里会产生出怎样奇特的物质呢，简直就像打开了潘多拉盒。
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