南開大學Science：首次合成全金屬富勒烯！

一、【導讀】

全金屬團簇的研究揭示了電子殼層和結構幾何形狀之間的微妙平衡：電子的量子約束產生了豐富多樣的原子排列，具有有趣的鍵合特性。巴克明斯特富勒烯（C₆₀）的發現標志著穩定三維籠的探索和應用的一個重要里程碑，在化學、物理和材料科學領域開辟了新的研究學科。富勒烯獨特的近球形結構以及離域π電子的表面產生了許多顯著的性質，并使其在生物學、醫學、電子和光伏中有廣泛的應用。此外，富勒烯的內腔為容納各種原子和分子提供了空間，產生了一類稱為內富勒烯的內面體簇。相比之下，全金屬富勒烯都是難以捉摸的：由非碳元素組成的類富勒烯團簇通常存在不穩定性，導致其幾何結構更為緊湊，需要多個嵌入的原子或外部配體來穩定。

二、【成果掠影】

近日，南開大學孫忠明教授團隊介紹了使用熱濕化學方法合成全金屬富勒烯團簇—[K@Au₁₂Sb₂₀]^5?。隨后研究人員通過單晶x射線衍射（XRD）確定了團簇的結構，揭示了由20個銻原子組成的富勒烯骨架。[K@Au₁₂Sb₂₀]^5?簇完全由Au–Sb鍵結合在一起，利用二十面體-十二面體對偶，從而保留了二十面體的近球形幾何結構，其大小與C₆₀相似，但由32個原子組成。理論計算進一步表明，這種獨特的團簇表現出芳香性。該論文以題為“An all-metal fullerene: [K@Au₁₂Sb₂₀]^5?”發表在知名期刊Science上。

三、【數據概覽】

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圖1 ?[K@Au₁₂Sb₂₀]^5?團簇的分子構造 ? 2023 AAAS

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圖2 ?[K@Au₁₂Sb₂₀]^5?的AdNDP成鍵模式與正則分子軌道 ? 2023 AAAS

圖3 ?[K@Au₁₂Sb₂₀]^5?的磁性研究 ? 2023 AAAS

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四、【成果啟示】

綜上，本研究首次通過熱濕法合成了全金屬富勒烯—[K@Au₁₂Sb₂₀]^5?，其中Au-Sb雜鍵在保持籠的結構完整性方面發揮著至關重要的作用，而內面陽離子則充當結構形成的模板。未來的研究將集中在探索其他的合成策略，利用籠狀物組成和內面體模板之間的相互作用，從而實現更大的全金屬富勒烯的合理和可控合成。這些超級原子由于其原子級精確的近球形結構，因此在設計和制造精密工程納米結構方面具有巨大潛力。

文獻鏈接：An all-metal fullerene: [K@Au₁₂Sb₂₀]^5? (Science 2023, 382, 840-843)

本文由賽恩斯供稿。