南开大学Science：首次合成全金属富勒烯！

一、【导读】

全金属团簇的研究揭示了电子壳层和结构几何形状之间的微妙平衡：电子的量子约束产生了丰富多样的原子排列，具有有趣的键合特性。巴克明斯特富勒烯（C₆₀）的发现标志着稳定三维笼的探索和应用的一个重要里程碑，在化学、物理和材料科学领域开辟了新的研究学科。富勒烯独特的近球形结构以及离域π电子的表面产生了许多显著的性质，并使其在生物学、医学、电子和光伏中有广泛的应用。此外，富勒烯的内腔为容纳各种原子和分子提供了空间，产生了一类称为内富勒烯的内面体簇。相比之下，全金属富勒烯都是难以捉摸的：由非碳元素组成的类富勒烯团簇通常存在不稳定性，导致其几何结构更为紧凑，需要多个嵌入的原子或外部配体来稳定。

二、【成果掠影】

近日，南开大学孙忠明教授团队介绍了使用热湿化学方法合成全金属富勒烯团簇—[K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻。随后研究人员通过单晶x射线衍射（XRD）确定了团簇的结构，揭示了由20个锑原子组成的富勒烯骨架。[K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻簇完全由Au–Sb键结合在一起，利用二十面体-十二面体对偶，从而保留了二十面体的近球形几何结构，其大小与C₆₀相似，但由32个原子组成。理论计算进一步表明，这种独特的团簇表现出芳香性。该论文以题为“An all-metal fullerene: [K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻”发表在知名期刊Science上。

三、【数据概览】

图1  [K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻团簇的分子构造 © 2023 AAAS

图2  [K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻的AdNDP成键模式与正则分子轨道 © 2023 AAAS

图3  [K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻的磁性研究 © 2023 AAAS

四、【成果启示】

综上，本研究首次通过热湿法合成了全金属富勒烯—[K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻，其中Au-Sb杂键在保持笼的结构完整性方面发挥着至关重要的作用，而内面阳离子则充当结构形成的模板。未来的研究将集中在探索其他的合成策略，利用笼状物组成和内面体模板之间的相互作用，从而实现更大的全金属富勒烯的合理和可控合成。这些超级原子由于其原子级精确的近球形结构，因此在设计和制造精密工程纳米结构方面具有巨大潜力。

文献链接：An all-metal fullerene: [K@Au₁₂Sb₂₀]⁵⁻ (Science 2023, 382, 840-843)

本文由赛恩斯供稿。