想象一下，如果你能观察一小部分未知的化学元素（小于100个原子的大小）并且在你真正看到更大的积累之前就知道这些元素会大量变成什么样的物质。美国能源部阿贡国家实验室化学科学与工程部退休的资深科学家朱利叶斯·杰里内克(Julius Jellinek)长期以来一直为这种想法提供动力。他最近与长期合作伙伴、中密歇根大学物理系教授科博拉·杰克逊(Koblar Jackson)的发现，有可能对纳米科学学科产生重大影响。根据Jellinek的观点，将大量元素和材料分类为不同的类型（金属、半导体和绝缘体）已经得到了很好的建立和理解。
博科园-科学科普：但是在纳米尺度上识别材料的类型并不是那么简单。事实上，尽管“纳米材料”一词被广泛使用，但纳米材料科学尚未得到充分发展。杰里内克解释说：非常小的元素和化合物，或者说纳米量的元素和化合物，其行为与体积相当的元素和化合物非常不同。例如体积较大的金属元素的小原子团簇只有在尺寸增大时才具有金属特性。这种现象被称为尺寸诱导向金属性质的转变，它促使Jellinek和Jackson提出了这样一个问题：仅仅根据一种未知元素在亚纳米到纳米尺度的有限范围内所表现出的特性，就能预测出它将大量出现在何种类型的材料中吗？
答案是肯定的，而且有点出人意料Jellinek和Jackson在《纳米尺度》(Nanoscale)期刊发表了他们的论文《尺寸驱动的金属大极化演化的普遍性》(Universality In size-driven evolution to bulk polarizability of metals)。论文表示，通过使用他们之前开发的原子级极化分析，可以通过观察小团簇的极化特性来预测未知元素的大体积究竟是金属还是非金属（极化率描述了系统和材料对外部电场的反应）。此外如果一个不明元素是大块金属，使用同样的小尺寸极化率数据，就可以确定其确切的化学特性。论文中另一个引人注目的发现是，所有金属元素的团簇都以一种普遍的方式演化为大块金属状态，这种演化由基于极化率的特征Jellinek和Jackson称为“金属度”来衡量。
图表示由尺寸引起的金属丰度转变，这种转变以一种普遍的方式发生在所有金属元素中，这种转变是由称为金属丰度的偏振性特征来衡量。随着团簇尺寸的增大，它们逐渐变成金属，并从内部排出一个外部电场(金属中的法拉第笼效应)。图片：Argonne National Laboratory
Jellinek说：我们在金属物理学中引入了一个新的通用常数和新通用比例方程。新标度方程使科学家能够根据金属元素相应的体积极化率来确定任意大小团簇的极化率变得简单明了。在过去，这将需要对每个个案进行冗长而昂贵的计算。用这些通用公式计算，原本需要几天、几周甚至几个月才能覆盖各种尺寸的物体，现在只需几分之一秒。也许最重要的是，这项研究代表了建立纳米材料科学基础的重要一步；它对理解体积金属态的大小演化作出了根本性的贡献。这项研究包括了一些可能的例外情况（称之为“外来金属”）如果将来能找到它们的话。
对耶利内克个人来说，在阿尔贡工作了31年多，最近刚刚获得了退休的职位，这一发现尤其令人满意——也令人惊讶，因为他和杰克逊最初希望找到别的东西。起初希望在不同的金属元素群体中建立更小范围的共性，但对结果没有达到预期感到失望，但后来他们发现，不同群的行为方式是一致的。在科学中，当一些东西以不同于你预期的方式出现时，往往会被证明是新的和有趣的。然而，发现具有普遍性的东西是非常罕见的。杰里内克称这个结果是他在漫长而杰出的职业生涯中所做的最好的事情之一。当你得到一些基本的和真正新的东西时，这是一种其他任何东西都无法替代的奖励。下一个任务是试图发现可能的共性，甚至是普遍性，在尺寸演化到非金属元素的体积状态。
博科园-科学科普｜by Brett Hansard, US Department of Energy
研究/来自：美国能源部
参考期刊文献:《Nanoscale》
论文DOI：10.1039/C8NR06307A
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