西安交大物理学院科研人员在富勒烯衍生物结合位点与稳定性机制起源方面取得新进展

1985年，Smalley、Kroto和Curl等发现了一种由五边形和六边形组成的笼状结构全碳分子，由60个碳原子组成（C60），具有足球一样完美对称的结构，并将其命名为巴克明斯特富勒烯（Buckminsterfullerene），是除了石墨和金刚石之外的碳的第三种同素异形体。这一发现标志着人类揭开了富勒烯的神秘面纱，开启了富勒烯科学这一全新的研究领域，三位科学家因此获1996年诺贝尔化学奖。

富勒烯独特的几何结构和电子结构使得易于利用物理或化学方法对其进行修饰，从而制备杂富勒烯、内嵌富勒烯和外接富勒烯等多种类型的富勒烯衍生物。这些富勒烯衍生物和富勒烯基碳材料在超导、储氢、光伏电池、单分子器件以及医学诊断和治疗等领域均具有重要的基础研究意义和实际应用价值。同时，天文学家在恒星形成区、年轻恒星、演化晚期恒星、（前）行星状星云以及星际介质等多种天体环境中发现了C60，显示了C60富勒烯的无处不在和神奇魅力。

近年来，西安交通大学侯高垒教授联合多个研究团队，利用自主发展的质谱-光谱联用实验技术，首次测量得到了气相富勒烯-金属复合物在6-25微米范围的高分辨红外谱，通过与Spitzer空间望远镜得到的天文观测谱比对分析，提出富勒烯-金属复合物可潜在贡献于星际未证认红外发射谱带和弥散星际谱带（The Astrophysical Journal 2023, 952: 13. DOI: 10.3847/1538-4357/accf1b）；并在此基础上构建了VibFullerene数据集，为2021年发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）搜索并分析星际富勒烯相关物种提供了重要参考（MNRAS 2023, 525, 3061. DOI: 10.1093/mnras/stad2335）。同时，在以富勒烯-金属团簇作为碳基负载型金属催化剂的模型探索相关催化反应活性位点和催化机制时发现富勒烯的奇异几何-电子效应使其可作为“氢摆渡车”（几何效应）与“电子海绵”（电子效应）助力金属催化（Angewandte Chemie 2021, 60, 27095, DOI: 10.1002/anie.202112398; Cell Report Physical Science 2022, 3, 100910, DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.100910）。

然而，一个非常基本的物质结构问题仍有待回答：外来一个原子或基团，倾向于结合在巴基球表面的哪个位置？根据巴基球的球对称结构，外来原子将会有五个可能的结合位点：五元环中心、六元环中心、五元环与六元环共享桥键、六元环与六元环共享桥键和顶点，但结合在哪个位置最稳定？目前尚缺乏直接的实验证据。

鉴于此，西安交通大学侯高垒教授联合荷兰自由电子激光光源FELIX和比利时鲁汶大学等研究机构的科学家，利用Ar原子标记的红外光解离光谱技术（或称标记光谱学）测量了C60V+Ar在250–1700波数范围的高分辨红外谱。结合量化计算和分子动力学模拟，研究人员发现Ar原子与C60V+之间的相互作用非常微弱，使得Ar标记对C60V+的几何结构和振动特征影响极小。通过进一步的Cosine相似指数比对和异构化路径分析，研究确定钒阳离子结合在巴基球五元环上方的结构为实验中发现的结构。同时，该结构也是理论计算预测的最稳定结构，其稳定性起源于巴基球与钒离子之间的轨道相互作用与静电相互作用。该研究为探究富勒烯衍生物的结构与性质提供了一个可靠的实验方案，同时也为理解富勒烯与金属之间的相互作用本质提供了重要信息。

上述研究成果近期以“Pentagon, Hexagon, or Bridge? Identifying the Location of a Single Vanadium Cation on Buckminsterfullerene Surface”（五元环、六元环或桥位？金属钒阳离子在巴基球表面结合位点的确认）为题发表在国际著名期刊《美国化学会志》（Journal of American Chemical Society 2023， DOI: 10.1021/jacs.3c08451）。西安交通大学物理学院侯高垒教授设计领导了该研究，为论文的通讯作者，博士生徐健智为论文第一作者。参与此工作的有荷兰FELIX的Joost Bakker教授和Olga Lushchikova博士以及比利时鲁汶大学的Peter Lievens教授和Ewald Janssens教授（共同通讯作者）。此外，研究工作得到了厦门大学谢素原院士的支持与帮助，在此表示致谢。西安交通大学物理学院和物质非平衡合成与功能调控教育部重点实验室为论文的第一单位与通讯作者单位，研究工作得到了国家自然科学基金和西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”等的支持。

西安交大“团簇谱学精密测量和结构调控”研究团队由侯高垒教授牵头组建。团队实验和理论并重，坚持面向世界科技前沿和国家重大需求，主要利用自主研发的多维度调控的高灵敏度高分辨质谱-光谱联用实验技术与仪器，开展原子分子团簇结构、光谱学及其动力学的实验和理论研究。目前研究工作主要围绕实验室天体物理与化学、能源催化转化以及团簇基功能信息器件的设计与构建等开展。在JACS、Angewandte Chemie、Acc. Chem. Res.、PNAS、Nat. Commun.、Astrophys. J.、MNRAS和Phys. Rev. A等期刊发表学术论文90余篇；主持国家自然科学基金委面上项目、重大研究计划、科技部高端外专项目和陕西省科技科技创新团队等国家级与省部级项目，与国内外多个知名研究小组和大型光源装置如加拿大光源、荷兰自由电子激光光源FELIX等建立有紧密的长期合作关系。

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c08451