Clusters : Un pont entre les disciplines de la physique et de la chimie

Les propriétés des éléments, des atomes à la masse, peuvent être divisées en deux régimes : (i) un régime évolutif où les propriétés varient de façon continue selon une certaine loi puissance jusqu'à atteindre la limite de masse et (ii) un régime non évolutif où la variation est fortement non monotone (1). Dans cette dernière région, caractérisée par des clusters, des phénomènes inhabituels peuvent et se produisent souvent en raison de la confinement quantique et des effets de frontière. Les clusters d'éléments non magnétiques deviennent magnétiques, les matériaux semi-conducteurs montrent des propriétés métalliques, les systèmes métalliques deviennent semi-conducteurs, la couleur des particules change avec la taille, les métaux nobles deviennent réactifs, et les matériaux cassants deviennent malléables. Ces propriétés émergent en raison de la structure inhabituelle des clusters et parce que les électrons appartiennent à des orbitales moléculaires et présentent un intervalle d'énergie, appelé l'intervalle orbital moléculaire le plus haut occupé - le plus bas non occupé (HOMO-LUMO). L'ampleur de l'intervalle HOMO-LUMO varie selon la taille et la composition du cluster, et la manière dont ces orbitales sont remplies détermine non seulement la stabilité des clusters mais aussi leurs propriétés. Une étude systématique de la structure et des propriétés des clusters composés d'une variété d'éléments a rapproché de nombreux domaines de la physique, en particulier la physique atomique, moléculaire, nucléaire et de la matière condensée. ### Clusters et physique nucléaire. Le travail pionnier de Knight et al. (2) sur les spectres de masse des clusters de Na a fourni le premier aperçu selon lequel les clusters et la physique nucléaire pourraient avoir quelque chose en commun. Ils ont observé que les clusters de Na composés de 2, 8, 20, 40, … atomes étaient exceptionnellement stables (Fig. 1) et coïncidaient avec les « nombres magiques » en physique nucléaire où les noyaux avec les mêmes nombres de protons et/ou de neutrons étaient connus pour être très stables. En suivant le modèle de coquille nucléaire, ces auteurs ont supposé qu'un ... †À qui la correspondance peut être adressée. E-mail : pjenaatvcu.edu ou awcatpsu.edu