?“一代材料、一代產(chǎn)業(yè)”。新材料是電子信息、新能源、生物醫(yī)藥、航天航空等新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。就像生命體中基因研究類似,新材料可以解構(gòu)為結(jié)構(gòu)基元、相互鏈接和作用、排序與對稱性等“材料基因”。新型的結(jié)構(gòu)基元和團簇探索和發(fā)現(xiàn)是材料基因研究的基礎(chǔ)。
??中科院化學(xué)所與北大深圳研究生院聯(lián)合團隊(姚建年院士、潘鋒教授、駱智訓(xùn)研究員)基于自主研制的深紫外儀器平臺并結(jié)合量子化學(xué)計算,發(fā)現(xiàn)了具有特殊穩(wěn)定性的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中性團簇Co13O8,是新型的“金屬氧立方”(metalloxocubes)團簇,具有獨特的立方芳香性,這類新型的氧鈍化金屬團簇有望用作新型“基因”開發(fā)新材料。研究成果以題為“Co13O8—metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity”最近發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review,doi.org/10.1093/nsr/ nwaa201)研究論文。
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圖1. Co13O8團簇結(jié)構(gòu)及芳香性示意圖
??? 研究團隊使用先進的皮秒脈寬177.3nm深紫外激光高效光電離質(zhì)譜(DUV-LIMS)技術(shù),氣相合成了一系列Con團簇,并觀測了中性鈷團簇與氧氣的反應(yīng),從中發(fā)現(xiàn)了具有特殊穩(wěn)定性的幻數(shù)團簇Co13O8 (如下圖)。
圖2. A 為純的中性Con團簇質(zhì)譜分布;B/C 為Con團簇與中量及大量氧氣反應(yīng)后質(zhì)譜分布;插圖為儀器制樣方法與Co13O8氧立方的NICS芳香性描述。
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? 為了研究Co13O8團簇的幾何結(jié)構(gòu)及化學(xué)/物理性質(zhì),研究者運用3種不同的計算方法進行結(jié)構(gòu)搜索,發(fā)現(xiàn)13個金屬在中心而8個氧原子錨定8個角的金屬氧立方結(jié)構(gòu)(metalloxocubes),其獨特的穩(wěn)定性與其體心立方結(jié)構(gòu)、突出的前線軌道能隙,乃至芳香性均相關(guān)。通過計算其核獨立化學(xué)位移與磁感應(yīng)電流密度,并結(jié)合電子結(jié)構(gòu)與軌道分析,研究者還深入詮釋了Co13O8的立方芳香性及其化學(xué)本質(zhì)。
? 研究者還探索了從二十面體Co13到立方Co13O8的結(jié)構(gòu)演化過程中的熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)機理。這項研究是從理解原子到宏觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)演變出發(fā),并由此構(gòu)建新材料、探索穩(wěn)定團簇新物種的一次有益嘗試。具有獨特穩(wěn)定性和立方芳香性的“金屬氧立方”中性氧鈍化金屬團簇有望成為一種合適的候選基因材料。
? 該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃,廣東省重點實驗室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa201
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