科学家在过渡金属与碳混合团簇的研究中获进展

排球烯

　　河北师范大学刘英教授课题组在“过渡金属与碳混合团簇”的研究中取得进展，在国际上首次提出了20个钪原子和60个碳原子组成的稳定的、中空的“排球烯(Volleyballene)”，研究结果以“Sc20C60: a volleyballene”为题发表在英国皇家化学学会期刊《Nanoscale》上 (Jing Wang, Hong-Man Ma, Ying Liu*, Nanoscale, 2016, 8, 11441)，研究论文被评为2016年度 Nanoscale热点论文，并被选作第22期的后封面论文。研究结果发布后受到国际同行广泛关注，先后被《New Scientist (新科学家)》、《MIT Technology Review (麻省理工技术评论)》、《Physics Today (今日物理)》、《Chemistry World (化学世界)》、《Sciences et Avenir (科学与未来)》等著名科普期刊和一些网站专题报道。

　　形状酷似足球的“富勒烯(Fullerene)”C60，也叫做“足球烯(Soccerene)”、“巴基球(Buckyball)”，是由60个碳原子组成的20个六边形和12个五边形构成。1985年，克罗托(Kroto)、斯莫利(Smalley)和柯尔(Curl)等人在探索宇宙空间星际尘埃的组分时，意外地发现了C60的飞行质谱。受建筑学家巴克明斯特·富勒(Buckminster Fuller)设计的蒙特利尔世界博览会球形圆顶建筑的启发，他们认为C60具有类球体结构而将其命名为巴克明斯特·富勒烯（Buckminsterfullerene）。高纯度富勒烯的大量制备使C60的研究风靡一时，研究领域涉及超导材料、非线性光学、超硬材料、超分子化学、放射医学等等，C60在自然界的天然存在和在宇宙空间的亘古存在也先后被证实，克罗托、斯莫利和柯尔因C60的发现荣获了1996年度诺贝尔化学奖。富勒烯之后，人们提议了一些有趣的类富勒烯分子，如过渡金属原子与碳原子组分为8:12的“金属碳笼(Met-Cars)”、内嵌金属的“硅富勒烯”、中空的“金富勒烯”等。

　　河北师范大学王静副教授、研究生马红曼和刘英教授(责任作者)的研究小组确定了一个非常稳定的排球状分子团簇，并将之命名为“排球烯”。排球烯的空心笼状结构由8个“单元”按排球的图案“缝合”而成，每个单元由8个钪原子包围着两个相连的碳五元环构成。研究发现，排球烯在多个同分异构体中具有最低的能量，并具有一个大的能隙(HOMO­–LUMO gap)，拉曼谱的分析和热分子动力学的计算也都显示出，排球烯具有很好的力学稳定性、热稳定性和化学稳定性。此外，他们提议，中空的排球烯可以通过内嵌其它原子或分子调节其电子结构和特性。

　　排球烯的研究工作2015年2月10日在论文预印本网站arXiv发布后，引起了广泛关注。2015年2月18日，《MIT Technology Review (麻省理工技术评论)》以“Forget Buckyballs, Here Comes Volleyballene(忘掉巴基球，排球烯来啦)”为题发表在线评论；2月19日，《Physics Today(今日物理)》以题为“Buckyball variant resembles a volleyball(巴基球的变种酷似一个排球)”在“News Picks(新闻精选)”栏目介绍了这项工作；2月25日，《New Scientist(新科学家)》在线发表评论文章“Volleyballene puts a new spin on buckyballs(排球烯赋予巴基球新的诠释)”，并在杂志的225卷3010期第19页以“Buckyballs play a different sport(巴基球在做截然不同的运动)”为题进行了报道；3月4日法国杂志《Sciences et Avenir (科学与未来)》以题为“Le volleyballene, nouvel hommage des chimistes aux sportifs(排球烯，化学工作者给体育界的新礼物)”进行报道；3月7日课题组新造的“Volleyballene”作为一个新的英文单词被World Wide Words (910期, 2015)收录；2016年2月18日“Chemistry World(化学世界)”以题为“Volleyballene nets a place in the buckyball family(排球烯在巴基球家族中占有一席之地)”介绍了这项工作[7]。这项工作还得到了一些新闻网站和新闻频道的报道。

　　研究工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金和河北省自然科学基金项目的资助。