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11月17日，國際頂級期刊Science在線發(fā)表南開大學(xué)最新研究成果。該研究題為“An all-metal fullerene:[K@Au12Sb20]5-”，報道了全金屬富勒烯[K@Au12Sb20]5-的合成及成鍵機制（圖1-2），展示了一種全新的化合物合成技術(shù)以及對金屬鍵的精準(zhǔn)調(diào)控在結(jié)構(gòu)化學(xué)中的應(yīng)用，為新材料的創(chuàng)制提供了嶄新的研究思路。這一突破性成果凸顯了南開大學(xué)在合成化學(xué)及主族金屬元素配位化學(xué)領(lǐng)域的重要地位。
圖1：全金屬富勒烯[K@Au12Sb20]5-團簇結(jié)構(gòu)示意圖；鉀原子為紫色，金原子黃色，銻原子為藍色
自2000年以來，諾貝爾化學(xué)獎已經(jīng)7次頒發(fā)給了合成化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，今年更是頒發(fā)給了三位為量子點的發(fā)現(xiàn)和合成作出原創(chuàng)貢獻的科學(xué)家。1985年，科學(xué)家Smalley等人首次發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子構(gòu)成的足球狀碳簇C60，也被稱為富勒烯。正是因為這一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，他們在1996年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。
因具有獨特的高度對稱的結(jié)構(gòu)、特殊的物理性質(zhì)以及多種多樣的化學(xué)反應(yīng)特性，富勒烯自被發(fā)現(xiàn)以來一直備受矚目，使得人們不斷探索其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。富勒烯的成鍵特性也被逐漸擴展到無機合成化學(xué)領(lǐng)域，理論上預(yù)測無機富勒烯將表現(xiàn)出非同尋常的穩(wěn)定性和反應(yīng)性，這激發(fā)了科學(xué)家們的極大興趣，但其合成依然面臨巨大挑戰(zhàn)。
南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫忠明教授課題組通過研發(fā)一種新的合成方法，將高溫固相合成與金屬有機化學(xué)跨相結(jié)合，成功制備了全金屬富勒烯[K@Au12Sb20]5-。
這一化合物呈現(xiàn)出接近阿基米德十二面體的結(jié)構(gòu)，每一面皆由內(nèi)含一個金原子的銻五邊形平面構(gòu)成，內(nèi)徑約為0.90納米，略大于C60分子的直徑（0.71納米）。在這個相對較大的團簇空腔內(nèi)，僅內(nèi)嵌了一個鉀離子，并且團簇整體無需有機配體的保護，其結(jié)構(gòu)依然能夠具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，這使其成為迄今為止配位環(huán)境最接近富勒烯的純無機化合物。
圖2：[K@Au12Sb20]5-團簇的成鍵模式及分子軌道
這一裸露的重金屬球狀團簇的穩(wěn)定性得以實現(xiàn)，一方面歸因于中心的鉀離子起到了模板支撐作用，另一方面，金-銻之間獨特的異金屬鍵在維持整體結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用（圖2）。
圖3：[K@Au12Sb20]5-的電子結(jié)構(gòu)分析
理論計算結(jié)果顯示，該分子的最顯著特征之一是其三維球芳香電子結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致在團簇表面形成了一層離域 π 電子云，賦予全金屬富勒烯化合物獨特的物理化學(xué)特性（圖3）。這一發(fā)現(xiàn)有望在光電材料或室溫催化等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具備廣泛的應(yīng)用潛力。
美國化學(xué)與工程新聞報道這一研究工作時認(rèn)為，這種無機富勒烯可能有助于化學(xué)家設(shè)計并合成其他精密構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)。德國圖賓根大學(xué)化學(xué)家Andreas Schnepf教授表示，這種分子具有引人注目的鍵合特性，他認(rèn)為這些團簇在溶液中可能展現(xiàn)出有趣的反應(yīng)性和應(yīng)用潛力。
南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生徐毓賀是本論文的第一作者，孫忠明教授為論文通訊作者。該工作得到了山西大學(xué)田文娟博士、智利圣塞巴斯蒂安大學(xué)Mu?oz-Castro教授以及德國馬爾堡大學(xué)Frenking教授在理論計算方面的重要輔助支持。其他相關(guān)數(shù)據(jù)分析得到了王學(xué)斌教授、徐駿副教授、李寧博士的支持。
該研究還得到了國家自然科學(xué)基金委、天津市科學(xué)技術(shù)局和南開大學(xué)有關(guān)項目資助。
孫忠明教授課題組長期致力于合成化學(xué)及主族金屬元素配位化學(xué)領(lǐng)域的研究。此次全金屬富勒烯[K@Au12Sb20]5-的合成及成鍵機制研究成果的發(fā)表，標(biāo)志著南開大學(xué)在相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進展和重大突破。
南開大學(xué)濃郁的學(xué)術(shù)氛圍與精準(zhǔn)的培養(yǎng)模式為學(xué)生提供了培育夢想的土壤與綻放才華的舞臺。徐毓賀自碩士研究生階段起便在孫忠明教授課題組進行科研學(xué)習(xí)，團隊溫馨、向上的氛圍令她倍感珍惜，更激勵著她在科研道路上飛速成長、一路前行。
南開大學(xué)濃郁的學(xué)術(shù)氛圍與精準(zhǔn)的培養(yǎng)模式為學(xué)生提供了培育夢想的土壤與綻放才華的舞臺。徐毓賀自碩士研究生階段起便在孫忠明教授課題組進行科研學(xué)習(xí)，團隊溫馨、向上的氛圍令她倍感珍惜，更激勵著她在科研道路上飛速成長、一路前行。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj6491
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