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北大深研院新材料学院与中科院化学所合作发现新型“金属氧立方”团簇
日期:2020-11-09 14:04:18 新材料学院 点击:

“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。

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)。

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。


专题报道
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11月
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2019-11-25
梁威,北京大学深圳研究生院信息工程学院2006级电子通讯工程硕士。2009年毕业后回长沙...
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