山西大学纳米团簇实验室发表“亚纳米坦克履带”研究成果

　　山西大学纳米团簇实验室发表“亚纳米坦克履带”研究成果

　　基于高精度量子化学理论计算，我校分子科学研究所纳米团簇实验室翟华金教授、李思殿教授发现B11阴离子和中性团簇的独特分子动力学性质，由此提出“亚纳米坦克履带”概念。该项成果在英国皇家化学会重要学术期刊《纳米尺度》(Nanoscale)发表。在读博士生王迎进是论文第一作者，在读硕士生赵晓芸、在读博士生陈强是论文的共同作者。《光明网》10月26日在线专题报道该发现。

　　据翟教授介绍，B11阴离子和中性团簇(见图)由9个外围硼原子和2个中心硼原子构成，尺寸约为5埃 (即0.5纳米)，总体呈拉长的平面结构。从化学直觉角度，这种结构是无法实现外环与内核之间的相对转动的;因为其拉长的内核可视为一个“闩”，足以锁住这种转动。然而，如果您是无畏的探索者，将拉长的硼团簇结构输入超级计算服务器，设定初始温度300开尔文(接近室温)，运行分子动力学模拟，超乎想象的现象出现了：团簇外围原子环围绕内核自由滑动(过渡态见图)，活生生一个运动着的微缩版坦克履带。完成一周的转动仅需约2皮秒。据此粗略估算其移动的速率超过每小时2000千米，足以匹敌当今最先进的空客或者波音客机。

　　探究亚纳米坦克履带的运转机理，翟教授指出，团簇底部的四元环可视为三角密堆结构的缺陷，该缺陷通过一个软振动模启动外环的转动，这里存在一个有趣的“推拉”机理。简言之，四元环结构缺陷和软振动模构成履带的发动机。从这个意义上讲，亚纳米坦克履带本身就是一辆纳米坦克，无需另配发动机。另一方面，硼是周期表中最独特的缺电子元素，导致内核与外环之间缺失经典的两中心化学键。因此内核与外环之间实际上是由一层离域的电子云来连接，这是团簇内转动的一种理想“润滑剂”。在电子岛近似模型下，可以直观地发现电子云像液体一样在岛中流动、扩展、收缩(见图中红色阴影部分)，其中每一步的能垒都是很小的。

　　在已知的数以百万计的化合物中，B11阴离子和中性团簇的动力学性质是独特的。翟教授曾与合作者利用气相高分辨谱学手段表征B11阴离子和中性团簇的基态结构和电子特性(Nature Materials, 2003)。从基态结构的确定到独特动力学特性的发现时间跨度超过10年。

　　亚纳米坦克履带将宏观军用坦克履带的尺度微缩100亿倍。难以想象它究竟有多大?翟华金教授打了一个比方：“设想您将一辆现役军用坦克放大到中国版图的尺度，那么相应地该亚纳米坦克履带近似于您不小心掉在餐桌上的一颗芝麻!”近期到访的美国Rice大学材料科学教授Boris Yakobson毫不掩饰对这一发现的兴趣与好奇，他不无慷慨地幽了一默：“翟教授的纳米坦克(nanotank)应当参加胜利日大阅兵”!

　　该研究课题得到国家自然科学基金、山西省“三晋学者”特聘教授支持计划、山西大学引进高层次人才科研启动基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室开放课题的联合资助。