电子自旋探针识别金属富勒烯异构体

顺磁性金属富勒烯在量子信息处理和单分子磁体等领域具有潜在的应用。顺磁性金属富勒烯分子的电子自旋对外界环境非常敏感，如温度、压力、磁场、化学环境等；同时，电子自旋对于分子自身的化学结构也表现出感知能力，即通过电子自旋与磁性核的耦合方式来反映物质的结构。

中国科学院化学研究所的王春儒研究员和王太山副研究员团队近年来致力于金属富勒烯的自旋与分子磁性研究，实现了电子自旋的极化和磁性的调控，发展了电子自旋探针，发现了金属富勒烯的磁感知现象，推动了金属富勒烯的功能化和在惯性测量装置上的应用（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15055；Nat. Commun. 2015, 6, 6468；Nanoscale 2018, 10, 18119；ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 32607；Nano Res. 2019, 12, 1727）。

最近，该团队发表了利用电子自旋探针探测单金属内嵌富勒烯结构的研究结果。该研究中，他们合成和分离了两种顺磁性单金属内嵌富勒烯La@C₇₂和Y@C₇₂，且通过电子顺磁共振（EPR）波谱仪测量得到了各自的EPR信号。在后续的理论计算结果中，发现单金属内嵌富勒烯M@C₇₂具有两种较稳定异构体，其碳笼分别是C₇₂-C₂和C₇₂-C₂v，但二者稳定性非常相近，很难用理论计算对合成的La@C₇₂和Y@C₇₂进行归属。其后，通过对其EPR信号的分析，发现二者的自旋与金属核耦合程度不同，通过实验和理论耦合值的对比，发现La@C₇₂对应C₇₂-C₂v的碳笼而Y@C₇₂对应C₇₂-C₂的碳笼。该工作进一步阐明了电子自旋用于探测分子结构的探针功能，推动了金属富勒烯自旋探针的发展。

这一成果近期发表在Inorganic Chemistry 上，文章的通讯作者是王太山副研究员和王春儒研究员，第一作者是博士生赵冲。

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Synthesis and Structural Studies of Two Paramagnetic Metallofullerenes with Isomeric C₇₂ Cage

Chong Zhao, Mingzhe Nie, Haibing Meng, Chunru Wang, Taishan Wang

Inorg. Chem., 2019, 58, 8162-8168, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b00954