单分子诱导的单团簇组装:分子层面调控组装行为与材料性能的新思路

 

我系王训教授课题组在亚纳米尺度材料自组装方向取得新进展。

无机纳米晶由于其晶格结构,通常被看作刚性物体,轻微的畸变通常就会导致极高的晶格应力,由此限制了其组装成为复杂的超结构。具有确定原子组成的无机团簇是一类介于分子与纳米颗粒之间的材料,这类材料的显著特点之一便是可以在单个原子层面调控其物理或化学性质。由于其尺寸接近1 nm,团簇的组装行为可能直接或间接地受到分子间非共价相互作用的影响,从而表现出异于无机纳米晶刚性模型结构的行为。因此,通过逐步调控分子层面的相互作用,可能在团簇组装体系中获得复杂的超结构,并实现不寻常的柔性与多功能化。由于化学键与周围配体的改变,组装过程还可能带来意料之外的材料性质的变化。最近王训课题组报道了一类由多酸团簇构成的单团簇纳米线、单团簇纳米环及其三维超结构组装体。在此体系中,通过调节溶液酸度将连接媒介乙酸根分子转变为乙酸分子,使多酸团簇间的连接方式由配位键逐步转化为氢键,改变团簇与连接分子配位点,最终实现形貌由纳米线向纳米环的转化。通过替换多酸团簇中的某个金属原子,本文得到了一系列包含15种团簇,具有不同构型的单团簇纳米结构,这也揭示了单团簇组装行为的普适性与可调控性。在上述结构中,P2W17Mn纳米线在烯烃环氧化催化反应中展现出极佳的催化性能;三维超结构组装体对于过氧化氢检测相比组装基元,也显示出更高的灵敏度,体现出单团簇组装体广泛的功能性与潜在的应用价值。该工作实现了在分子层面对于无机材料的调控,也为新型无机材料的设计与组装提供了新思路。

论文在线发表于Science Advances (https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaax1081) 该工作由王训课题组与王冬课题组合作完成,王冬课题组负责分子模型模拟计算部分。论文第一作者为我系16级博士研究生刘清达,共同第一作者为何佩雷博士和博士研究生于洪德。该研究得到国家自然科学基金委和科技部重点研发项目支持。