맨위로가기

초원자

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
목차

1. 개요

초원자는 특정 원자 클러스터가 개별 원자와 유사한 화학적 특성을 나타내는 현상을 지칭한다. 알루미늄 클러스터는 초원자 특성을 나타내는 대표적인 예시로, Al13 클러스터는 할로젠 원자와 유사하며, Al14 클러스터는 알칼리 토금속과 유사한 특성을 보인다. 또한, 리튬, 베릴륨, 금속 클러스터 등 다양한 종류의 초원자가 존재하며, 유기 리간드로 안정화된 금속 코어를 통합하는 초원자 복합체도 연구되고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 클러스터 화학 - 철-황 클러스터
    철-황 클러스터는 철과 황 원자의 결합으로 이루어진 무기화합물로서, 생체 내 단백질의 구성요소로 중요한 역할을 하며, Fe:S 화학량론에 따라 다양한 형태로 존재하고 전자전달, 촉매작용 등에 필수적이며, 여러 분야에서 응용될 수 있다.
  • 클러스터 화학 - 다면체 골격 전자쌍 이론
    다면체 골격 전자쌍 이론은 클러스터 화합물의 구조를 예측하는 이론으로, 4n, 5n, 6n 규칙을 통해 클러스터 내 전자 수를 기반으로 구조를 예측한다.
  • 양자화학 - 태양광 발전
    태양광 발전은 태양빛을 직류 전기로 변환 후 교류 전기로 변환하여 사용하는 기술로, 다양한 종류의 태양전지 개발과 활용이 증가하고 있으나 초기 투자비용, 간헐성, 환경적 영향 등의 과제를 안고 있다.
  • 양자화학 - 양공
    양공은 반도체 내에서 전자가 빠져나간 자리를 의미하며, 마치 양의 전하를 띠는 입자처럼 행동하여 전기 전도에 기여하고, P형 반도체의 특성을 나타낸다.
  • 원자물리학 - 보어 반지름
    보어 반지름(a_0)은 물리 상수들로 정의되며, 약 5.292 × 10-11 m의 값을 가지고, 보어 모형에서 가장 안쪽 전자 궤도의 반지름으로 제시되어 원자 크기를 나타내는 척도로 사용된다.
  • 원자물리학 - 스핀-궤도 상호작용
    스핀-궤도 상호작용은 전자의 스핀 각운동량과 궤도 각운동량의 결합으로 발생하는 상대론적 효과로, 원자 스펙트럼의 미세 구조를 설명하고 고체 내 에너지띠 구조에 영향을 미치며 다양한 분야에 응용된다.
초원자

2. 알루미늄 클러스터

특정 알루미늄 클러스터는 초원자의 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 이러한 클러스터들은 헬륨 가스 내에서 음이온(Al''n''–, 여기서 ''n'' = 1, 2, 3, …) 형태로 생성되어 요오드를 포함하는 가스와 반응시키는 방식으로 연구된다.[2][27]

대표적인 예로, 13개의 알루미늄 원자로 이루어진 Al13 클러스터는 할로젠 원자와 유사한 화학적 성질을 보여 초할로겐(superhalogen영어)으로 분류된다.[3][4][5][6] 이는 Al13 클러스터가 추가 전자 하나를 받아 Al13– 상태에서 안정화되기 때문이며, 실험적으로는 주로 Al13I– 와 같은 형태로 관찰된다.[2]

또한, 14개의 알루미늄 원자로 구성된 Al14 클러스터는 알칼리 토금속과 유사한 성질을 나타낸다.[7][8] 이 클러스터는 특정 조건 하(예: Al14I3– 형태)에서 안정적인 전자 구조를 형성하는 것으로 연구되었다.[7][8][28][29]

이 외에도 Al7, Al23, Al37 등 다양한 크기의 알루미늄 클러스터들이 특정 원소와 유사한 초원자적 특성을 나타내는 것으로 보고되었으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[9][10][11]

2. 1. 알루미늄 클러스터의 초원자 특성

특정 알루미늄 클러스터는 초원자 특성을 갖는다. 이러한 알루미늄 클러스터는 헬륨 가스 내에서 음이온(Aln-, 여기서 n = 1, 2, 3, …) 형태로 생성되어 요오드를 포함하는 가스와 반응한다. 질량 분석법으로 분석했을 때, 주요 반응 생성물 중 하나는 Al13I-인 것으로 밝혀졌다.[2]

추가 전자를 가진 13개의 알루미늄 원자로 구성된 Al13 클러스터는 동일한 가스 흐름에 산소를 도입해도 반응하지 않는 것으로 나타났다. 이는 할로겐화물과 유사한 특성을 보이며, 40개의 자유 전자를 가지는데 이는 매직 넘버에 해당한다. 각 알루미늄 원자가 3개의 원자가 전자를 제공한다고 가정하면, 13개 원자는 총 39개의 전자를 가지며, 음이온 상태에서 추가된 전자 1개를 더해 총 40개의 전자를 가지게 된다. 이 전자 수는 나트륨 클러스터에서 관찰되는 매직 넘버 중 하나이며, 비활성 기체와 같은 안정성을 나타내는 것으로 해석될 수 있다. 계산 결과, Al13 클러스터 내의 추가 전자는 요오드 원자의 반대편에 위치하는 것으로 나타났다. 이는 Al13 클러스터가 요오드 원자보다 높은 전자 친화도를 가짐을 의미하며, 이러한 이유로 '''초할로겐'''(superhalogeneng)이라고 불린다.[3][4][5][6] Al13I- 이온 내의 클러스터 성분(Al13)은 아이오다이드 이온과 유사하며, 더 정확하게는 브로마이드 이온과 유사한 성질을 보인다. 관련된 Al13I2- 클러스터는 트라이아이오다이드 이온과 화학적으로 유사하게 행동할 것으로 예상된다.[2]

이와 유사하게, 42개의 전자(매직 넘버 40보다 2개 많음)를 가진 Al14 클러스터는 일반적으로 +2 원자가 상태를 갖는 알칼리 토금속의 특성을 나타내는 것으로 언급되었다. 이는 Al14- 클러스터에 최소 3개의 요오드 원자가 부착된 경우, 즉 Al14I3-에서만 관찰된다. 이 음이온 클러스터는 총 43개의 자유 전자를 가지고 있지만, 세 개의 요오드 원자가 각각 하나의 자유 전자를 제거하여 젤리움 껍질에 40개의 전자를 남기게 된다.[7][8]

다양한 크기의 알루미늄 클러스터가 특정 원소와 유사한 초원자 특성을 나타내는 예는 다음과 같다.

클러스터유사 원소비고
Al7게르마늄
Al13할로젠 (염소)초할로겐, Al13Ix- (x = 1–13)[10]
Al14알칼리 토금속Al14Ix- (x = 1–14)[10]
Al23
Al37
Al5O4-[11]


2. 2. 다양한 알루미늄 클러스터

특정 알루미늄 클러스터는 초원자 특성을 가진다. 이러한 알루미늄 클러스터는 헬륨 가스 중에서 음이온(Al''n''–, 여기서 ''n'' = 1, 2, 3, …)으로 생성되어 요오드를 포함하는 기체와 반응시킨다. 질량 분석법으로 분석하면, 주요 반응 생성물 중 하나로 Al13I–가 확인된다.[2][27]

13개의 알루미늄 원자와 추가 전자 하나로 구성된 Al13– 클러스터는 동일한 기체 흐름에 산소를 도입해도 반응하지 않는 것으로 나타났다. 이는 각 알루미늄 원자가 3개의 원자가 전자를 제공하고 추가 전자 1개를 더해 총 40개의 자유 전자를 가지기 때문으로 설명된다. 40은 마법수 중 하나로, 이는 비활성 기체와 같은 안정성을 나타냄을 시사한다. 계산 결과, 클러스터 내의 추가 전자는 요오드 원자의 정반대 위치에 존재하며, 이는 Al13 클러스터가 요오드 원자보다 더 높은 전자 친화도를 가짐을 의미한다. 이러한 이유로 이 알루미늄 클러스터는 초할로겐(superhalogen)이라고 불린다.[3][4][5][6] Al13I– 이온의 클러스터 성분(Al13)은 아이오딘화 이온(I-)이나 브로민화 이온(Br-)과 유사한 성질을 보인다. 관련된 Al13I2– 클러스터는 삼아이오딘화 이온(I3-)과 화학적으로 유사하게 행동할 것으로 예상된다.[2]

마찬가지로, 42개의 전자를 가진 Al14 클러스터(마법수 40보다 2개 많음)는 일반적으로 +2 원자가 상태를 갖는 알칼리 토금속과 유사한 특성을 나타내는 것으로 보인다. 이러한 특성은 Al14– 클러스터에 최소 3개의 요오드 원자가 부착된 Al14I3– 형태에서 관찰된다. 이 음이온 클러스터는 총 43개의 편력 전자를 가지지만, 3개의 요오드 원자가 각각 하나의 편력 전자를 제거하여 젤리움 껍질에 마법수인 40개의 전자를 남기게 된다.[7][8][28][29]

다음은 초원자 특성을 보이는 다양한 알루미늄 클러스터의 예시이다.

클러스터유사 원소 또는 특성
Al7게르마늄 (Ge) 원자와 유사[9]
Al13할로젠 원자, 특히 염소 (Cl)와 유사[9]
Al13Ix–x = 1–13[10][31]
Al14알칼리 토금속 원자와 유사[9]
Al14Ix–x = 1–14[10][31]
Al23[9]
Al37[9]
Al5O4-[11]


3. 기타 클러스터

나트륨 원자는 기체 상태에서 냉각될 때 특정 개수의 원자, 즉 마법수(2, 8, 20, 40, 58 또는 82)를 포함하는 클러스터로 자연스럽게 응축하는 경향을 보인다. 이 마법수 중 처음 두 개는 각각 s궤도와 p 궤도를 채우는 데 필요한 전자의 수와 일치한다. 초원자 클러스터 내의 자유 전자는 개별 원자에 속해 있을 때와 달리, 클러스터 전체에 의해 정의되는 새로운 궤도를 점유하게 된다.

클러스터의 모양이 구형이 아니거나 다른 종류의 원자를 포함하게 되면(도핑), 안정적인 닫힌 껍질을 형성하는 데 필요한 전자의 수가 달라진다. 이 새로운 전자 수 규칙에 따라 초원자는 마치 하나의 원자처럼 화학적으로 행동한다. 예를 들어, 전체 전자 껍질보다 전자가 하나 더 많은 초원자는 알칼리 금속처럼 전자를 쉽게 내놓는 경향을 보이며, 반대로 전체 전자 껍질보다 전자가 하나 적은 초원자는 할로젠처럼 전자를 강하게 끌어당기는 성질(높은 전자 친화도)을 나타낸다.

3. 1. 리튬 기반 클러스터


  • Li(HF)3Li: (HF)3 내부 구조 주위를 리튬(Li)에서 나온 2개의 원자가 전자가 마치 하나의 원자핵처럼 전체 분자의 궤도를 돈다.[12][32]
  • Li(NH3)4: Li(NH3)4+ 코어 주위를 1개의 확산 전자가 돌고 있어, 알칼리 금속 원자를 모방한다.[13][14]

3. 2. 베릴륨 기반 클러스터

Be(NH3)4는 Be(NH3)42+ 코어를 중심으로 2개의 전자가 넓게 퍼져 돌고 있는 형태이다. 이러한 구조는 마치 헬륨(He) 원자핵 주위를 2개의 전자가 도는 것과 비슷하여, 헬륨 원자를 모방한다고 설명된다.[15][14]

3. 3. 기타 금속 클러스터

4. 초원자 복합체

초원자 복합체는 유기 리간드로 안정화된 금속 코어를 포함하는 특별한 그룹의 초원자이다. 이들은 특정 전자 수를 가질 때 안정성을 나타내는 마법수와 관련된 특성을 보인다.

4. 1. 금 초원자 복합체

금 초원자 복합체는 유기 리간드로 안정화된 금속 코어를 포함하는 초원자의 한 종류이다. 특히 티올레이트 보호 금 클러스터 복합체에서는 간단한 전자 계산 규칙을 사용하여 총 전자 수(''n''e)를 결정할 수 있으며, 이 수는 마법수에 해당한다.

:n_e = N\nu_A - M -z

여기서 ''N''은 코어 내 금속 원자(A)의 수, ''ν''A는 원자 원자가, ''M''은 전자 인출 리간드의 수, ''z''는 복합체의 전체 전하이다.[19] 예를 들어, Au102(p-MBA)44는 ''N''=102, ''ν''Au=1, ''M''=44, ''z''=0 이므로, ''n''e = 102 × 1 - 44 - 0 = 58개의 전자를 가지며, 이는 닫힌 껍질 마법수에 해당한다.[20]

다른 금 초원자 복합체의 예시는 다음과 같다.

  • Au25(SMe)18-[21]
  • Au102(p-MBA)44
  • Au144(SR)60[22]

4. 2. 기타 초원자 복합체


  • Ga23(N(Si(CH3)3)2)11[23]
  • Al50(C5(CH3)5)12[24]
  • Re6Se8Cl2 – 2018년 연구자들은 이 초원자 물질의 15nm 두께 박편을 만들었다. 이들은 단일층이 초원자 2차원 반도체가 될 수 있으며, 특이하고 조절 가능한 새로운 2차원 재료를 제공할 것으로 예상한다.[25]
  • 유기-진틀 기반 초원자: [Ge9(CHO)3] 및 [Ge9(CHO)][26]

참조

[1] 논문 Superatomic Chelates: The Cases of Metal Aza-Crown Ethers and Cryptands 2021-12-21
[2] 논문 Formation of {{chem|Al|13|I|−}}: Evidence for the Superhalogen Character of Al13 American Association for the Advancement of Science (AAAS) 2004-04-02
[3] 논문 Functionalized deltahedral Zintl complexes Ge9R3 (R = CF3, CN, and NO2): a new class of superhalogens https://pubs.rsc.org[...] 2017-12-12
[4] 논문 Organic Superhalogens https://chemistry-eu[...] 2014
[5] 논문 Super/hyperhalogen aromatic heterocyclic compounds https://pubs.rsc.org[...] 2016-05-10
[6] 논문 Functionalized nona-silicide [Si9R3] Zintl clusters: a new class of superhalogens https://pubs.rsc.org[...] 2022-08-12
[7] 뉴스 A New Kind of Alchemy New Scientist 2005-04-16
[8] 논문 Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts American Association for the Advancement of Science (AAAS) 2005-01-14
[9] 논문 Structure of Charged Argon Clusters Formed in a Free Jet Expansion https://digitalcommo[...] American Physical Society (APS) 1984-12-17
[10] 문서 Naiche Owen Jones, 2006. http://etd.vcu.edu/t[...]
[11] 논문 Al5O4 Superatom with Potential for New Materials Design
[12] 논문 Extraordinary superatom containing double shell nucleus: Li(HF)3Li connected mainly by intermolecular interactions Wiley
[13] 논문 Molecules mimicking atoms: monomers and dimers of alkali metal solvated electron precursors http://xlink.rsc.org[...] 2018
[14] 학위논문 First Principle Studies on Ground and Excited Electronic States: Chemical Bonding in Main-Group Molecules, Molecular Systems with Diffuse Electrons, and Water Activation using Transition Metal Monoxides https://etd.auburn.e[...] 2021-03-01
[15] 논문 Aufbau Rules for Solvated Electron Precursors: Be(NH 3 ) 4 2+ Complexes and Beyond 2018-01-04
[16] 논문 Electronic and Geometric Stabilities of Clusters with Transition Metal Encapsulated by Silicon American Chemical Society (ACS)
[17] 웹사이트 Platinum nanoclusters go magnetic http://nanotechweb.o[...] 2007-10-15
[18] 웹사이트 Ultra Cold Trap Yields Superatom https://www.nist.gov[...] NIST 1995
[19] 논문 A unified view of ligand-protected gold clusters as superatom complexes 2008-06-01
[20] 논문 Structure of a Thiol Monolayer-Protected Gold Nanoparticle at 1.1 Å Resolution American Association for the Advancement of Science (AAAS) 2007-10-19
[21] 논문 On the Structure of Thiolate-Protected Au25 American Chemical Society (ACS)
[22] 논문 Structure and Bonding in the Ubiquitous Icosahedral Metallic Gold Cluster Au144(SR)60 https://figshare.com[...] American Chemical Society (ACS) 2009-01-16
[23] 논문 A Metalloid Ga23{N(SiMe3)2}11 Cluster: The Jellium Model Put to Test Wiley 2007-02-26
[24] 논문 The Al50Cp*12 Cluster – A 138-Electron Closed Shell (L = 6) Superatom Wiley 2011-05-13
[25] 뉴스 Researchers create first superatomic 2-D semiconductor https://phys.org/new[...] Phys.org 2018-02-18
[26] 논문 Organo−Zintl-based superatoms: [Ge9(CHO)3] and [Ge9(CHO)] 2017-10-16
[27] 논문 Formation of Al13I-: Evidence for the Superhalogen Character of Al13 http://www.sciencema[...] 2004-04-02
[28] 뉴스 A New Kind of Alchemy New Scientist 2005-04-16
[29] 논문 Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts http://www.sciencema[...] 2005-01-14
[30] 논문 1984
[31] 문서 Naiche Owen Jones, 2006年. http://etd.vcu.edu/t[...]
[32] 논문 Extraordinary superatom containing double shell nucleus: Li(HF)3Li connected mainly by intermolecular interactions https://ui.adsabs.ha[...] 2007
[33] 논문 Electronic and geometric stabilities of clusters with transition metal encapsulated by silicon http://lib.bioinfo.p[...]
[34] 웹사이트 Platinum nanoclusters go magnetic http://nanotechweb.o[...] nanotechweb.org 2007
[35] 웹사이트 Ultra Cold Trap Yields Superatom http://www.nist.gov/[...] NIST 1995


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com