- 南開(kāi)大學(xué)合成全金屬富勒烯 為新材料創(chuàng)制提供新思路
- 發(fā)布日期：2023-11-21
11月17日，國(guó)際頂級(jí)期刊Science在線發(fā)表了南開(kāi)大學(xué)的最新研究成果。該研究成果揭示了全金屬富勒烯的合成及成鍵機(jī)制，展示了一種全新的化合物合成技術(shù)以及對(duì)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。
1985年，科學(xué)家Smalley等人首次發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子構(gòu)成的足球狀碳簇C60，也被稱為富勒烯。正是因?yàn)檫@一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，他們?cè)?996年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。因具有獨(dú)特的高度對(duì)稱結(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(lái)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(kuò)展到無(wú)機(jī)合成化學(xué)領(lǐng)域，理論上無(wú)機(jī)富勒烯能夠表現(xiàn)出非同尋常的穩(wěn)定性和反應(yīng)性，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(kāi)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孫忠明教授課題組長(zhǎng)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。孫忠明課題組通過(guò)研發(fā)一種新的合成方法，將高溫固相合成與金屬有機(jī)化學(xué)跨相結(jié)合，成功制備了全金屬富勒烯。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(gè)金原子的銻五邊形平面構(gòu)成，內(nèi)徑約為0.90納米。在這個(gè)相對(duì)較大的團(tuán)簇空腔內(nèi)，僅內(nèi)嵌了一個(gè)鉀離子，并且團(tuán)簇整體無(wú)需有機(jī)配體的保護(hù)，其結(jié)構(gòu)依然能夠具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。這一化合物成為迄今為止配位環(huán)境最接近富勒烯的純無(wú)機(jī)化合物。
這一裸露的重金屬球狀團(tuán)簇的穩(wěn)定性得以實(shí)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(dú)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。
理論計(jì)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(tuán)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(dú)特的物理化學(xué)特性。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(guó)化學(xué)與工程新聞報(bào)道這一研究工作時(shí)認(rèn)為，這種無(wú)機(jī)富勒烯可能有助于化學(xué)家設(shè)計(jì)并合成其他精密構(gòu)造的納米結(jié)構(gòu)。德國(guó)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(tuán)簇在溶液中可能展現(xiàn)出有趣的反應(yīng)性。
