نانوذرات و رفتار غیر عادی آنها

خوشه‌ها، یا نانوذرات، كلوخه‌هایی از اتم‌اند كه ابعادشان در حدود نانومتر است. این ذرات، به خاطر كوچكی اندازه‌شان، در دماهای كم رفتارهای غیرعادی اپتیكی، الكتریكی، و مغناطیسی دارند. در واقع كوبو و دیگران در دهه 1960 پیش‌بینی كردند كه رفتار ترمودینامیكی خوشه‌ها در دماهای كم كاملاً با رفتار فلزات در ابعاد ماكروسكوپی متفاوت است، و در خوشه‌ها نیز رفتار خوشه‌های با تعداد فردی الكترون كاملاً با رفتار خوشه‌های با تعداد زوجی الكترون متفاوت است. پیش بینی‌های مربوط به گرمای ویژه الكترونی و پذیرفتاری مغناطیسی خوشه‌ها، سال گذشته تأیید شدند.
در فلزات عادی، پذیرفتاری مغناطیسی در دمای كم مستقل از دما، و گرمای ویژه متناسب با دماست. هردوی اینها نتیجه آمار فرمی – دیراك برای الكترون‌هایی است كه چگالی حالت‌هایشان محدود و كند تغییر است. اما حالت‌های انرژی خوشه‌های كوچك گسسته‌اند و مقداری گسستگی به طور متوسط متناسب است با عكس تعداد الكترون‌های خوشه. در مورد خوشه‌هایی كه فقط چند هزار الكترون ظرفیت دارند، این گسستگی در حدود میلی الكترون ولت است. در دماهای كم، اثر این گسستگی در كمیت‌های فیزیكی ظاهر می‌شود. از سوی دیگر، خاصیت مغناطیسی خوشه‌های فردالكترون با خوشه‌های زوج الكترون متفاوت است. انرژی تغییر جهت اسپین برای برانگیختگی‌های كوچك، در مورد خوشه‌های فردالكترون با مقدار شكافتگی ترازها در اثر میدان مغناطیسی تعیین می‌شود. در صورتی كه در مورد خوشه‌های زوج الكترون با فاصله بین ترازهای شكافته نشده تعیین می‌شود به همین علت است كه در خوشه‌های فردالكترون، پذیرفتاری در دمای كم با عكس دما متناسب است (مشخصه مواد پارامغناطیس) در حالی كه در خوشه‌های زوج الكترون، پذیرفتاری در دمای كم واگرا نمی‌شود. آثار كوانتومی اندازه خوشه‌ها قبلاً در بعضی از خواص (غیر ترمودینامیكی) خوشه‌ها دیده شده است. در مورد خواص ترمودینامیكی، مهم‌ترین مشكل تجربی نداشتن نمونه‌های خوب است؛ نمونه‌هایی دارای چگالی زیادی از خوشه‌های مجزای یكنواخت (از نظر تعداد اتم‌ها و تركیب).
اما با به بار آمدن روش شیمیایی برای تهیه تركیبات شیمیایی شامل خوشه‌های فلزی، این مشكل حل شده است. این تركیبات شامل یك هسته پكیده اتم‌های فلز با لیگاندهایی در سطح هستند. در آزمایش ولوكیتین و همكارانش، تركیباتی شامل خوشه‌هایی با پنج، هفت، و هشت لایه از اتم‌های پالادیم (به ترتیب، دارای 561، 1415، و 2057 اتم) به كار رفته است. همچنین، یك كلوئید پالادیم شامل حدودا 105×25ر1 اتم بر خوشه نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در بررسی‌ها رفتار واگرای پذیرفتاری در دماهای كم مشاهده شده است. و دیده شده است كه این رفتار به تعداد اتم‌های خوشه بستگی دارد. در مورد گرمای ویژه دیده می‌شود كه رفتار گرمای ویژه در ابتدا خطی است، شبیه گرمای ویژه كپه‌های ماكروسكوپی فلزات، اما در دماهای كم، زیر K1 در مورد خوشه‌های 5 لایه‌ای، گذاری رخ می‌دهد و رفتار گرمایی ویژه متناسب با T2 می‌شود.
كار ولوكیتین و همكارانش نخستین بررسی تجربی رفتار ترمودینامیكی نانوذرات است. با افزایش توانایی بشر برای ساخت كنترل شده این نوع ساختارها، و نیز ساختارهایی مانند نقاط كوانتومی، فولرن‌ها، نانولوله‌ها و نانوبلورها، دریچه جدیدی در پژوهش‌های بنیادی و كاربردی ذرات در مقیاس نانومتری گشوده شده است.