Trong lĩnh vực khoa học vật liệu tiên tiến, các cụm nguyên tử nhân tạo có
cấu trúc dƣới nano mét gần đây đƣợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm. Ở kích
thƣớc từ vài đến vài chục nguyên tử, tính chất của các cụm nguyên tử biến đổi rất
thú vị và khó dự đoán do tác động của các hiệu ứng lƣợng tử. Một số ví dụ có thể kể
nhƣ những cụm nguyên tử của nguyên tố ở dạng khối không có từ tính (Ti, V, Cr)
lại mang từ tính, cụm nguyên tử của các nguyên tố bán dẫn (Si, Ge) có thể có tính
chất kim loại, cụm nguyên tử của các kim loại (Ga) có tính chất siêu dẫn, cụm
nguyên tử của kim loại quý (Au) lại có hoạt tính xúc tác cao. Tất cả các đặc điểm
thú vị trên là do sự biến đổi dị thƣờng của cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của
các cụm nguyên tử khi thêm hoặc bớt chỉ một nguyên tử. Chính đặc tính độc đáo
này mà các cụm nguyên tử đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhằm tìm
kiếm và tạo ra các cụm nguyên tử bền vững nhƣ một siêu nguyên tử có các tính chất
có thể thay thế hoặc vƣợt trội hơn so với các nguyên tố trong Bảng tuần hoàn hóa
học, làm tiền đề (building block) để phát triển các vật liệu nano tiên tiến mới.
Các kết quả nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, các cụm nguyên tử chứa kim
loại chuyển tiếp có thể thay đổi độ bền của cụm nguyên tử, tăng cƣờng các tính chất
từ, tính chất quang hoặc biến đổi hoạt tính xúc tác theo mong muốn. Trong đó, các
nguyên tử kim loại chuyển tiếp với các điện tử chƣa ghép cặp trên orbital d đóng vai
trò hết sức quan trọng, tham gia điều chỉnh cấu trúc hình học và cấu trúc điện tử của
cụm nguyên tử. Khi các nguyên tử kim loại chuyển tiếp kết hợp với nguyên tử của
các nguyên tố khác loại trong cụm nguyên tử có thể biến đổi hoạt tính xúc tác, mô
men từ, đặc tính hấp thụ quang, bề rộng vùng cấm, hay khả năng hấp phụ hóa học
mà vẫn giữ đƣợc tính bền vững của các cụm nguyên tử. Các nguyên tố bán dẫn là
một nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp điện tử và đã đƣợc tích hợp
sâu, rộng trong nền công nghiệp sản xuất tiên tiến, hiện đại. Nghiên cứu các cụm
nguyên tử của nguyên tố bán dẫn pha tạp với các nguyên tử kim loại chuyển tiếp
đƣợc kì vọng làm biến đổi, điều chỉnh tính chất hóa lý của vật liệu bán dẫn ở cấp độ
nguyên tử, phân tử, từ đó tìm ra các tính chất mới và quay trở lại ứng dụng trong
công nghiệp bán dẫn.