近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授楊上峰課題組成功地合成并分離表征了一種十余年來(lái)一直被認(rèn)為因穩(wěn)定性低而“不可被分離”的新結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌富勒烯，這一發(fā)現(xiàn)彌補(bǔ)了內(nèi)嵌富勒烯研究領(lǐng)域的一席空白，實(shí)驗(yàn)上證明了分離出低穩(wěn)定性的新結(jié)構(gòu)富勒烯的可能性。該研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》上。
富勒烯結(jié)構(gòu)中最為特殊的性質(zhì)是其碳籠內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，因此可以在其內(nèi)部空腔內(nèi)嵌某些特殊物種（原子、離子或原子簇），由此而形成的富勒烯被稱為內(nèi)嵌富勒烯。由于內(nèi)嵌富勒烯內(nèi)部所內(nèi)嵌的物種可以轉(zhuǎn)移特定數(shù)目的電子到外部的碳籠上，內(nèi)嵌富勒烯具有許多空心富勒烯所不具備的特殊物理和化學(xué)性質(zhì)，從而成為碳材料領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)。值得一提的是，1999年Nature 期刊報(bào)道了一種新型內(nèi)嵌富勒烯——Sc3N@C80（稱之為內(nèi)嵌金屬氮化物原子簇富勒烯），因其產(chǎn)率高于其他所有內(nèi)嵌富勒烯從而掀起了內(nèi)嵌富勒烯的研究熱潮。隨后人們對(duì)于基于其他稀土金屬的內(nèi)嵌金屬氮化物原子簇富勒烯的研究表明一系列不同大小的碳籠均可以形成內(nèi)嵌金屬氮化物原子簇富勒烯。然而，目前分離出的基于金屬鈧（Sc）的內(nèi)嵌金屬氮化物原子簇富勒烯的碳籠均小于C80，而僅比Sc3N@C80多兩個(gè)碳原子的Sc3N@C82雖然被數(shù)個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)存在于混合物產(chǎn)物中，但經(jīng)過分離后卻神秘地“消失”了。理論研究結(jié)果表明其帶隙太小導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)上不穩(wěn)定從而“不可被分離”。因此，實(shí)驗(yàn)上能否分離出Sc3N@C82成為十余年來(lái)一直困擾著富勒烯界的一大難題。
該研究組基于前期在新結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌富勒烯合成和分離方面的系列工作，通過改進(jìn)電弧放電法所用到的電弧爐裝置，成功地提高了Sc3N@C82的產(chǎn)率，并利用多步高效液相色譜法成功分離了Sc3N@C82。研究人員還通過與廈門大學(xué)教授謝素原組合作，利用X射線單晶衍射法成功確定出其碳籠的分子結(jié)構(gòu)為C2v(39718)-C82，這也是基于C82碳籠的內(nèi)嵌金屬氮化物原子簇富勒烯家族中一個(gè)全新的碳籠異構(gòu)體結(jié)構(gòu)。有意思的是，該異構(gòu)體結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算所預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)并不一致，因此實(shí)驗(yàn)上成功確定其分子結(jié)構(gòu)對(duì)于澄清多年來(lái)對(duì)其結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)具有重要的意義。
中國(guó)科大博士生衛(wèi)濤為論文的第一作者。上述研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。
