將20個橙子的模型與理論和實驗結構進行了比較。圖片：魯汶大學

研究人員發現，由20個金原子構成的獨立簇呈金字塔狀。與大多數元素相反，大多數元素通過在一箇中心原子周圍形成殼來組織自身。由魯汶大學（KU Leuven）領導的研究團隊在“科學進展”（Science Advances）中發表了他們的研究結果。

由幾個原子組成的原子簇往往是球形的。它們通常組織在圍繞中心原子的原子殼中。事實證明，許多元素都是這種情況，但黃金卻不是。實驗和計算表明，由20個金原子構成的獨立簇呈金字塔形狀。它們有一個由10個整齊排列的原子組成的三角形底平面，另外還有六個和三個原子的三角形，上面有一個原子（請參見圖中將二十個橙子的模型與理論和實驗結構進行比較的圖）。

現在，使用掃描隧道顯微鏡首次對顯著的四面體結構進行了成像。這種高科技顯微鏡可以視覺化單個原子。它在極低的溫度（零以下269度）下執行，並使用電流的量子隧穿作用從尖銳的掃描金屬尖端穿過簇並進入支架。量子隧穿是電流在兩個導體之間流動而彼此之間沒有任何物理接觸的過程。

掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡原理圖

研究人員在複雜的真空室中使用了強等離子體，從巨集觀的金塊中濺射出金原子。該論文的主要作者Li Zhe，哈爾濱工業大學（深圳），說：“由於與水分子凝結成液滴的過程相當，部分濺射的原子一起長成幾個至幾十個原子的小顆粒。”。“我們選擇了一束由正好二十個金原子組成的簇。我們用一個三角形的小平面將這些原子降落到覆蓋有非常薄的氯化鈉（NaCl）層的基底上，恰好是三個原子層厚。”

研究還揭示了小金字塔的獨特電子結構。與稀有氣體原子或芳香族分子相似，該團簇僅具有完全填充的電子軌道，這使其與具有一個或幾個原子的團簇或多或少地相比具有更低的反應性。

眾所周知，金原子簇的大小從幾個原子到幾十個原子不等。這一新發現幫助科學家評估了這些團簇的催化和光學效能，這與設計基於團簇的催化劑和光學裝置有關。團簇的最新應用包括在燃料電池中的利用和碳捕獲。