近日，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所水科學(xué)與技術(shù)研究室高嶷研究員及其合作者在超配位碳體系方面的研究取得新進(jìn)展。相關(guān)研究工作發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》雜志上（J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 2264-2268）。8月14日，英國皇家化學(xué)會(huì)新聞期刊Chemistry World網(wǎng)站主頁的封面故事以Carbon clusters score lucky seven為題，報(bào)道了這一最新科研成果。

　　在傳統(tǒng)化學(xué)理論中，碳原子有4個(gè)價(jià)電子，總共可以形成4個(gè)共價(jià)鍵。早在1952年，CH5+的成功分離就使超配位碳概念成為物理有機(jī)化學(xué)中最重要也是最具挑戰(zhàn)性的研究課題之一。半個(gè)多世紀(jì)以來，實(shí)驗(yàn)和理論化學(xué)家們都在努力尋找最大配位數(shù)的碳分子體系，從而拓展對(duì)碳乃至化學(xué)鍵的根本性認(rèn)識(shí)。迄今為止，實(shí)驗(yàn)合成的超配位碳分子體系碳原子的最大配位數(shù)是6。理論上雖然預(yù)測(cè)過一些六配位、七配位乃至八配位的碳分子體系，但是他們都有能量更低的對(duì)應(yīng)異構(gòu)體，也就是說他們不是最穩(wěn)定分子。理論上所說的最穩(wěn)定分子，代表了該分子比其異構(gòu)體的能量更低、具有大的能帶間隙、不帶電荷或者帶有少量電荷，結(jié)構(gòu)上最好具有高對(duì)稱性。

　　高嶷研究員與美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的曾曉成教授等合作，系統(tǒng)研究了第一行的副族元素以及大部分主族元素形成高配位碳體系的可能性，最后發(fā)現(xiàn)，只有鈦原子能夠和碳形成七配位的超配位碳分子體系[CTi72+]，這是目前為止理論上發(fā)現(xiàn)的最大配位且穩(wěn)定的碳分子體系。通過計(jì)算模擬進(jìn)行蒙特卡洛的全局能量搜索，他們發(fā)現(xiàn)該體系比其異構(gòu)體能量更低，且該體系為D5h對(duì)稱性，有較大的能帶間隙。該體系的30個(gè)價(jià)電子的雙金字塔結(jié)構(gòu)也與Wade規(guī)則非常吻合，從而進(jìn)一步證明了該體系的穩(wěn)定性。由于該體系是一個(gè)二價(jià)陽離子，理論計(jì)算證明了它可以通過配位2個(gè)陰離子形成非常穩(wěn)定的中性體系并在室溫下穩(wěn)定存在。作者還進(jìn)一步從理論上探討了利用該超配位碳設(shè)計(jì)一維納米線的可能性。英國倫敦皇家學(xué)院的Henry Rzepa教授對(duì)該研究給予了很好的評(píng)價(jià)。

　　該項(xiàng)研究工作由上海應(yīng)用物理研究所、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校、美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室以及合肥工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)的研究人員合作完成，得到了上海應(yīng)用物理所、中國科學(xué)院北京超級(jí)計(jì)算中心以及國家超級(jí)計(jì)算深圳中心的資助和支持。