腐蝕、防腐以及催化等化學(xué)化工過(guò)程都涉及金屬團(tuán)簇的研究，團(tuán)簇已成為了化學(xué)和材料研究的前沿和熱點(diǎn)。深入理解原子到分子、團(tuán)簇、納米結(jié)構(gòu)、再到宏觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能演變，將有力地推動(dòng)化學(xué)走向"微觀化"、"精準(zhǔn)化"和"交叉融合"。 

在國(guó)家自然科學(xué)基金委、財(cái)政部、中國(guó)科學(xué)院的支持下，化學(xué)所分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室駱智訓(xùn)研究員課題組研制了多套團(tuán)簇科學(xué)儀器裝置，在金屬團(tuán)簇與超原子的高效制備及反應(yīng)性研究方面取得了系列進(jìn)展 (圖1)。團(tuán)簇超原子作為一類(lèi)具有固定幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的類(lèi)比于原子的團(tuán)簇(Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2931-2940)，可以通過(guò)金屬團(tuán)簇精準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)(Chem. Rev. 2016, 116, 23, 14456)，設(shè)計(jì)具有團(tuán)簇基因的功能新材料(Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053)，不僅可應(yīng)用于催化，也有望拓展至更廣泛的光化學(xué)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域，體現(xiàn)從“超原子化學(xué)”到“團(tuán)簇材料基因”的新視角(Coord. Chem. Rev., 2020, CCR_213643)。 

圖1. (A) 自主研制的國(guó)家重大儀器（深紫外二期子項(xiàng)目）DUV+IR質(zhì)譜光譜儀；(B) 狹義和廣義超原子概念的提出 (Acc. Chem. Res. 2014,47, 2931); (C) 基于科學(xué)院儀器研制項(xiàng)目支持的離子層流反應(yīng)管串聯(lián)自定義多重四極質(zhì)譜系統(tǒng)；(D) 開(kāi)殼層超原子團(tuán)簇Cu₁₈^-的發(fā)現(xiàn) (J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 5807); (E/F) 金屬團(tuán)簇應(yīng)用于材料基因 (Coord. Chem. Rev., 2019, 400, 213053; 2020, 213643)；(G) 鹵素配體保護(hù)/活化超原子團(tuán)簇（Chem. Sci. 2016, 7, 3067） 

近期，在姚建年院士指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)與北大深圳化學(xué)院潘鋒教授、清華大學(xué)李雋教授等合作，發(fā)現(xiàn)并氣相合成了一種具有特殊穩(wěn)定性的類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧立方中性團(tuán)簇Co₁₃O₈，理論研究表明該團(tuán)簇具有獨(dú)特的立方芳香性（圖2）。他們進(jìn)一步揭示了其獨(dú)特的穩(wěn)定性與體心立方結(jié)構(gòu)、突出的前線軌道能隙、乃至芳香性相關(guān)，并討論了從二十面體Co₁₃到立方Co₁₃O₈的結(jié)構(gòu)演化的熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程；通過(guò)計(jì)算其核獨(dú)立化學(xué)位移與磁感應(yīng)電流密度，結(jié)合電子結(jié)構(gòu)及軌道分析，深入詮釋了Co₁₃O₈的立方芳香性及其化學(xué)本質(zhì)。這類(lèi)新型的氧鈍化金屬團(tuán)簇（Oxygen-passivated metal cluster）有望用作新材料基因，研究人員將其命名為“金屬氧立方”（metalloxocubes）。相關(guān)工作發(fā)表在National Science Review期刊上(https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)，第一作者是博士研究生耿麗君。 

圖2. 中性Co_n純金屬團(tuán)簇質(zhì)譜分布及其與大量氧氣反應(yīng)后的質(zhì)譜；插圖為Co₁₃O₈氧立方結(jié)構(gòu)及其芳香性描述