“一代材料、一代產(chǎn)業(yè)”。新材料是電子信息、新能源、生物醫(yī)藥、航天航空等新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的基礎。就像生命體中基因研究類似，新材料可以解構(gòu)為結(jié)構(gòu)基元、相互鏈接和作用、排序與對稱性等“材料基因”。對新型的結(jié)構(gòu)基元和團簇的探索與發(fā)現(xiàn)是材料基因研究的基礎。

中國科學院化學所與北京大學深圳研究生院新材料學院聯(lián)合團隊（姚建年院士、潘鋒教授、駱智訓研究員）基于自主研制的深紫外儀器平臺，并結(jié)合量子化學計算，發(fā)現(xiàn)了具有特殊穩(wěn)定性的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中性團簇Co₁₃O₈，是新型的“金屬氧立方”（metalloxocubes）團簇，具有獨特的立方芳香性，這類新型的氧鈍化金屬團簇有望用作新型“基因”開發(fā)新材料。研究成果以“Co₁₃O₈—metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity”為題，最近發(fā)表在《國家科學評論》(National Science Review，doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)上。

Co₁₃O₈團簇結(jié)構(gòu)及芳香性示意圖

研究團隊使用先進的皮秒脈寬177.3nm深紫外激光高效光電離質(zhì)譜（DUV-LIMS）技術(shù)，氣相合成了一系列Con團簇，并觀測了中性鈷團簇與氧氣的反應，從中發(fā)現(xiàn)了具有特殊穩(wěn)定性的幻數(shù)團簇Co₁₃O₈（如下圖）。

A為純的中性Con團簇質(zhì)譜分布；B/C為Con團簇與中量及大量氧氣反應后質(zhì)譜分布；插圖為儀器制樣方法與Co₁₃O₈氧立方的NICS芳香性描述

為了研究Co₁₃O₈團簇的幾何結(jié)構(gòu)及化學/物理性質(zhì)，研究者運用3種不同的計算方法進行結(jié)構(gòu)搜索，發(fā)現(xiàn)13個金屬在中心而8個氧原子錨定8個角的金屬氧立方結(jié)構(gòu)（metalloxocubes），其獨特的穩(wěn)定性與其體心立方結(jié)構(gòu)、突出的前線軌道能隙，乃至芳香性均相關(guān)。通過計算其核獨立化學位移與磁感應電流密度，并結(jié)合電子結(jié)構(gòu)與軌道分析，研究者還深入詮釋了Co₁₃O₈的立方芳香性及其化學本質(zhì)。

研究者還探索了從二十面體Co13到立方Co₁₃O₈的結(jié)構(gòu)演化過程中的熱力學和反應動力學機理。這項研究是從理解原子到宏觀物質(zhì)的結(jié)構(gòu)演變出發(fā)，并由此構(gòu)建新材料、探索穩(wěn)定團簇新物種的一次有益嘗試。具有獨特穩(wěn)定性和立方芳香性的“金屬氧立方”中性氧鈍化金屬團簇有望成為一種合適的候選基因材料。

該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。