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配体金纳米团簇的全统一模型

众所周知,“八电子规则”是现代化学的理论基础,是理解和解释主族元素分子结构稳定性和物化性质的基石。随后发展的“十八电子规则”和“Wade规则”在20世纪也取得巨大成功,成为理解过渡金属分子和小尺寸团簇的基本化学理论。但随着近20年来纳米技术的巨大进展,传统化学理论是否在纳米尺度仍然适用引起人们广泛关注。特别对于金属纳米团簇,迄今人们普遍认为其是由一个一个金属原子随机生长而来,并不存在一个普适的化学规则。


长期以来,配体金纳米团簇因其独特的结构和物理化学性质以及在催化、纳米技术及生物医学等领域广泛的应用前景得到了广泛关注。近10年来,随着一系列大尺寸的配体金纳米团簇被成功结晶,人们试图提出普适的理论模型解释其结构稳定性,但并未获得普遍成功。近日,美国内布拉斯加州立大学林肯分校中国科技大学千人计划B的曾晓成讲席教授点击查看介绍中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室高嶷研究员点击查看介绍课题组合作,提出了一个用于解释配体金纳米团簇的结构稳定性及其生长机制的全统一模型GUM (Grand Unified Model),实现了对迄今为止报道的71个配体金纳米团簇的理解。

图一 满足双电子满壳层电子态的基本单元包括正三角形Au3(2e)和正四面体Au4(2e),它们由具有各种不同的“味”的金原子组成。金原子的三种 “味”包括“顶味,中味,底味”。


研究人员通过分析大量实验和理论结构发现金原子有三个不同的电子价态,配体保护金团簇的金核部分可以分解为若干满足双电子规则的三角形和正四面体基本单元,如图一和图二所示。该模型的建立,有力的证明了金纳米团簇的结构和生长遵循着基本的化学规律,从而为进一步理解金以外的金属纳米团簇打开了新的思路。由于这个模型非常类似于粒子物理中的基本粒子模型(即夸克有不同的“味”,三个夸克构成质子和中子,并进一步构成原子核和原子),所以被称为“全统一模型”(Grand Unified Model)。研究人员利用该模型预测了一系列高度稳定的金团簇,从而为实现基于化学规则的纳米金团簇可控合成提供了基础。

图二 用正三角形和正四面体基本单元对Au40(SR)24纳米团簇进行的结构分解


相关研究成果发表在《自然-通讯》杂志上。第一作者上海应用物理研究所许文武博士。该项研究工作得到了中国科学院、上海应用物理研究所、国家自然科学基金委、上海市科委、中组部、中国科技大学以及深圳超算中心、国家超级计算天津中心和上海超算中心以及NSFC-广东联合基金(第二期)超级计算科学应用研究专项的共同资助和支持。


该论文作者为:Wen Wu Xu, Beien Zhu, Xiao Cheng Zeng, Yi Gao

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):

http://www.nature.com/articles/ncomms13574

A grand unified model for liganded gold clusters

Nat. Commun., 2016, 7, 13574, DOI: 10.1038/ncomms13574


导师介绍

曾晓成教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/26818

高嶷研究员

http://www.x-mol.com/university/faculty/31090

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