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

“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”。对新型的结构基元和团簇的探索与发现是材料基因研究的基础。

中国科学院化学所与北京大学深圳研究生院新材料学院联合团队（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“Co₁₃O₈—metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity”为题，最近发表在《国家科学评论》(National Science Review，doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)上。

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）。

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。