【物化】中科院固体所伍志鲲研究员课题组与美国卡耐基梅隆大学金荣超教授在团簇结构研究方面取得重大进展

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对物质结构的掌握为理解和改善物质性能提供了根本条件，因而结构研究在科学研究中具有举足轻重的作用。近期，中科院合肥研究院固体物理研究所（以下简称固体所）伍志鲲研究员课题组与美国卡耐基梅隆大学金荣超教授合作，通过精选配体，构筑适当的团簇间/内弱相互作用力，生长出高质量的单晶，成功解析出Au₁₄₄(SR)₆₀团簇的结构。该团簇由144个金原子（Au）和60个保护性巯基配体（SR）构成，其结构此前困扰科学界多年，是金纳米团簇结构研究的“圣杯”。在此基础上，科研人员通过变温实验，揭示了金属具有优异热延展性的微观机理。相关成果发表在Science Advances（DOI: 10.1126/sciadv.aat7259）上，论文第一作者为助理研究员闫楠博士。

早在1996年，美国的Whetten教授等人便报道了处于临界尺寸的一个团簇Au₁₄₄，由于当时合成技术和表征条件的限制，未能确定该团簇的精确组成结构。经过十多年的努力，2009年金荣超教授小组确定该团簇由144个金原子（Au）和60个保护性巯基配体（SR）构成。同年芬兰的Lopez-Acevedo等人在参照金属原子数目相近的Pd₁₄₅结构基础上，提出了Au₁₄₄(SR)₆₀的多层核壳结构模型，可是这一模型一直没有被实验证实。甚至有研究表明，Au₁₄₄(SR)₆₀的晶体由多种晶型混合而成，不可能通过X-射线衍射得到单晶结构。因而Au₁₄₄(SR)₆₀的结构似乎成为一个不解之谜。

研究人员利用单晶X-射线衍射解出了Au₁₄₄(SR)₆₀的结构（图1），证实了该团簇由三壳层（Au₁₂-_Au42-_Au60）的金属内核和表面30个SR-Au-SR的“订书钉”结构单元构成，并揭示出团簇间/内存在弱相互作用力，为他们提出的团簇间/内弱相互作用力在晶体生长过程中起重要作用的观点提供了有力证据，也为后续高难度的金属纳米团簇/纳米晶的单晶生长提供了借鉴和参考。

图1. _Au144(SR)60团簇的整体结构

（来源：Science Advances）

此外，研究人员还通过变温单晶X-射线衍射发现，Au₁₄₄(SR)₆₀团簇中不同长度的金-金键具有不同的变温伸缩性，其中键长为2.88埃的金-金键（与块体金中键长类似）相对于其它键长的金-金键来说，具有更好的热延展性，从化学键角度解释了金属相对于其他常见固体具有更好热延展性的原因。

概括起来，这项工作具有以下重要意义：一是解析出_Au144(SR)60的结构，解决了一个富有挑战性并长期困扰科学界的难题；二是揭示团簇间/内的弱相互作用在团簇单晶生长中起重要作用，为后续富有挑战性的单晶生长提供了参考；三是为金属相对于其它常见固体具有较好的热延展性提供了微观解释；四是为理解Au₁₄₄结构与性能的关联提供了基础条件。

上述研究得到了国家自然科学基金、中科院合肥物质科学研究院十三五重点规划、固体所所长基金等项目的大力支持。

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