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美國科學家最近直接觀測到矽原子簇在石墨烯(graphene)的孔隙中來回運動的現象。能分析微小原子團簇讓科學家得以更瞭解不同原子組成如何影響材料特性，若能進一布操縱具特定性質的團簇或許還能開發出新的電子及光電元件。此外，對石墨烯孔隙行為的更佳瞭解，也有助於實現海水淡化等實際應用。
此實驗由美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National LabL)的Juan-Carlos Idrobo等人所完成。他們先以石墨烯捕捉由六個原子組成的矽團簇，接著利用在低電壓(60 kV)下操作的掃描式穿透電子顯微鏡(scanning transmission electron microscope , STEM)進行直接觀測。
Idrobo表示，相較於其他顯微鏡技術，STEM能提供樣本的晶格資訊，進而得知原子的位置。透過影像量化分析imaging quantification)或電子能量損失譜(electron energy loss spectroscopy, EELS)可進一步辨別樣品中的化學成份。STEM另一優點在於對單一原子的高敏感度，讓研究人員得以直接計算矽團簇中的原子數目。科學家過去也曾研究過矽團簇，不過屬於間接觀測，也無法辨識其3D原子結構。
此團隊藉由觀測發現團簇中有一個矽原子，會在團簇結構的兩特定位置來回移動。Idrobo解釋，以往STEM影像顯示高能電子束會將原子撞離樣本，但他們卻觀看到矽原子在團簇內來回舞動。他們利用第一原理計算(first-principles calculation)描繪出矽團簇與電子束產生交互作用時的能量，並得到單一矽原子在團簇內變換不同位置所需之能量。
利用石墨烯奈米孔隙捕捉原子簇有機會在電子、光電以及催化領域開啟新應用。他們未來的研究計畫包含在石墨烯中製作不同尺寸的奈米孔洞，並且嵌入不同功能的原子團簇。例如，將具有催化活性的團簇固定在石墨烯孔洞上，便可利用STEM直接探討其原子和電子性質。
該團隊目前正著手研究原子簇與石墨烯間的交互作用，以及如何藉此研發出新的石墨烯科技。Idrobo表示，具特定直徑的穩定孔隙結構可作為高效分子過濾器，未來甚至可望應用於海水淡化設備。詳見Nature Communications｜doi:10.1038/ncomms2671。 |