金屬納米團(tuán)簇是近年來發(fā)展起來的一種新型材料,其特殊的尺寸范圍、確定的組成結(jié)構(gòu)、獨(dú)特而又豐富的物理、化學(xué)性能激起了廣大科研工作者的興趣。然而,金屬納米團(tuán)簇的研究也存在很多困難和挑戰(zhàn)(如精準(zhǔn)合成、結(jié)構(gòu)解析等)。應(yīng)對(duì)這些問題和挑戰(zhàn),中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員伍志鯤課題組進(jìn)行了不懈努力。繼揭示金納米團(tuán)簇中存在像有機(jī)分子一樣的“同分異構(gòu)”現(xiàn)象(Nature Commun., 2015, 6, 9667)后,課題組研究人員發(fā)現(xiàn)了同(近)尺寸團(tuán)簇中金價(jià)態(tài)的顯著區(qū)別,再次表明了金團(tuán)簇中金原子成鍵的多樣性和復(fù)雜性。相關(guān)工作近期發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10425-10428)。論文的共同第一作者是助理研究員廖玲文和博士生莊勝利。上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的相關(guān)合作單位給予了有力協(xié)助。
在金屬納米團(tuán)簇的理論研究中,一個(gè)比較盛行的理論是“超原子”理論。這個(gè)理論曾被用來成功地解釋一些金屬納米團(tuán)簇的穩(wěn)定性,如Au25和Ag44比較穩(wěn)定,是因?yàn)樗鼈兎謩e具有8和18電子的超原子電子結(jié)構(gòu),但令人費(fèi)解的是,金團(tuán)簇的18電子的超原子結(jié)構(gòu)一直都沒有找到。金團(tuán)簇中是否存在18電子的超原子結(jié)構(gòu)?如存在,這種18電子結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇是否比其它電子結(jié)構(gòu)(如16電子結(jié)構(gòu))的團(tuán)簇穩(wěn)定,金的價(jià)態(tài)是否與同(近)尺寸團(tuán)簇中金的價(jià)態(tài)不同?伍志鯤課題組人員對(duì)這些問題進(jìn)行了科學(xué)探索。通過兩步法,研究人員首次合成了具有18電子閉殼層的Au44(2,4-DMBT)26納米團(tuán)簇,并通過單晶X-射線衍射解析了其結(jié)構(gòu)(圖1)。這種納米團(tuán)簇與文獻(xiàn)報(bào)道的Au44(TBBT)28(注:2,4-DMBTH 與TBBTH為不同的配體)相比,它們具有相同的金原子個(gè)數(shù),但配體數(shù)不同,因而殼層電子數(shù)也不同。熱穩(wěn)定測(cè)試表明這種具有18電子閉殼層結(jié)構(gòu)的Au44(2,4-DMBT)26比具有16電子非閉殼層結(jié)構(gòu)的Au44(TBBT)28的熱穩(wěn)定性要差,這說明決定這兩個(gè)團(tuán)簇穩(wěn)定性差別的因素,除了電子結(jié)構(gòu)外,還有其它影響因素(原子的堆砌結(jié)構(gòu)是一個(gè)需重點(diǎn)考慮的因素)。Au44(2,4-DMBT)26比Au44(TBBT)28含有較少的帶負(fù)電的配體,預(yù)期Au44(2,4-DMBT)26中金的價(jià)態(tài)比Au44(TBBT)28中金的價(jià)態(tài)略低,但令人驚訝的是XPS表明Au44(TBBT)28中金的價(jià)態(tài)與20nm金中金的價(jià)態(tài)相近(趨于零價(jià)),而Au44(2,4-DMBT)26中金的價(jià)態(tài)卻與正一價(jià)金配合物中金的價(jià)態(tài)接近(圖2)。引起這種現(xiàn)象的原因可能是兩者的內(nèi)核結(jié)構(gòu)不同,但深層次的原因仍需進(jìn)一步研究。另外一個(gè)有意思的發(fā)現(xiàn)是Au44(2,4-DMBT)26具有手性(見圖1),它的手性來源于部分內(nèi)核原子和表面“staple”的排列,其中,內(nèi)核部分原子的排列導(dǎo)致手性也是第一次被觀察到。
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、科技部、合肥物質(zhì)中心、合肥大科學(xué)中心及固體所的大力支持。
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