“一代材料、一代产业”。新材料是电子信息、新能源、生物医药、航天航空等新兴战略产业的基础。就像生命体中基因研究类似，新材料可以解构为结构基元、相互链接和作用、排序与对称性等“材料基因”。新型的结构基元和团簇探索和发现是材料基因研究的基础。
中科院化学所与北大深圳研究生院联合团队（姚建年院士、潘锋教授、骆智训研究员）基于自主研制的深紫外仪器平台并结合量子化学计算，发现了具有特殊稳定性的类钙钛矿结构中性团簇Co13O8，是新型的“金属氧立方”（metalloxocubes）团簇，具有独特的立方芳香性，这类新型的氧钝化金属团簇有望用作新型“基因”开发新材料。研究成果以题为“Co13O8—metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity”最近发表在《国家科学评论》(National Science Review,doi.org/10.1093/nsr/ nwaa201)研究论文。
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图1. Co13O8团簇结构及芳香性示意图 研究团队使用先进的皮秒脉宽177.3nm深紫外激光高效光电离质谱（DUV-LIMS）技术，气相合成了一系列Con团簇，并观测了中性钴团簇与氧气的反应，从中发现了具有特殊稳定性的幻数团簇Co13O8 (如下图)。
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图2. A 为纯的中性Con团簇质谱分布；B/C 为Con团簇与中量及大量氧气反应后质谱分布；插图为仪器制样方法与Co13O8氧立方的NICS芳香性描述。 为了研究Co13O8团簇的几何结构及化学/物理性质，研究者运用3种不同的计算方法进行结构搜索，发现13个金属在中心而8个氧原子锚定8个角的金属氧立方结构（metalloxocubes），其独特的稳定性与其体心立方结构、突出的前线轨道能隙，乃至芳香性均相关。通过计算其核独立化学位移与磁感应电流密度，并结合电子结构与轨道分析，研究者还深入诠释了Co13O8的立方芳香性及其化学本质。
研究者还探索了从二十面体Co13到立方Co13O8的结构演化过程中的热力学和反应动力学机理。这项研究是从理解原子到宏观物质的结构演变出发，并由此构建新材料、探索稳定团簇新物种的一次有益尝试。具有独特稳定性和立方芳香性的“金属氧立方”中性氧钝化金属团簇有望成为一种合适的候选基因材料。
该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划，广东省重点实验室和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa201
文章来源：北京大学
潘锋教授（博导）是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长, 美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士，1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)，1994-1996年瑞士ETH博士后。
姚建年 院士 ，1982年毕业于福建师范大学化学系，1990年获日本东京大学工学部硕士学位，1993年获该校博士学位。1995年8月到1999年9月先后任中科院感光化学研究所副研究员、研究员、博士生导师、室主任、所长助理。1999年9月起为中国科学院化学研究所研究员。2005年11月当选为中国科学院院士，2008年1月起任国家自然科学基金委副主任。
骆智训，博士，研究员，博士生导师，中国科学院化学研究所分子动态稳态结构国家重点实验室。2013年入选中科院化学所"引进国外杰出青年人才计划"，中国科学院大学兼职教授，目前担任《中国化学快报》第二届青年编委会物理化学专业委员会副主任。2009年中国科学院院长优秀奖，2016年度中国科学院杰出科技成就奖（主要完成者之一）。主要以金属团簇和分子聚集体为研究对象，围绕物理化学基础科学问题以及介观凝聚态材料与光谱学性质开展研究工作。在团簇结构稳定性、团簇反应活性等方面做出了一些突出研究成果，提出了狭义和广义超原子的概念，并把金属价键理论和团簇研究方法运用到弱键合作用的有机分子聚集体研究中，在包括J. Am. Chem. Soc.(3篇), Angew. Chem. Int. Ed.(1篇), Chem. Sci. (1篇) 等国际权威化学期刊上发表第一作者和通讯作者学术论文70余篇，并应邀给Chem. Rev. (1篇)和Acc. Chem. Res. (1篇)撰写重要综述。文章多次被X-Mol资讯和Nature China引载报道。自主研制国际创新的大型科学仪器3套。应邀撰写学术论著2章。
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发表于 2020-11-5 12:12:33
