近日，我校化学化工学院青年教师张迪在金属氧簇结构化学领域取得重要进展，研究成果以“Structural Evolution Beyond Carbon Fullerenes: A Family of Metal–Oxo Clusters”为题，发表在国际顶级期刊PNAS上。张迪与中国科学院赣江创新研究院副研究员赵晓昆为共同第一作者；北京理工大学迟瑛楠教授、华南师范大学兰亚乾教授和清华大学李隽院士为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目资助。

富勒烯的结构演变受到几何与拓扑关系的约束，但具有类似规律的无机分子簇家族仍十分罕见。研究团队利用铌钒氧簇可同时形成{(Nb)V₅}五边形和{(V)V₄}四边形两类构筑基元的特点，在球形V₃₀Nb₁₂的基础上进一步构筑了V₂₆Nb₈、V₂₄Nb₆和V₂₂Nb₄三例铌钒氧簇，建立了由球形向椭球形、贝壳状和卵形逐级演变的金属氧簇家族。该系列中五边形数量m与正方形数量l满足l = 6 – m/2，三角形窗口数量t满足t = m + 8，这些关系可由欧拉公式和顶点—面连接方式推导，从而实现了构筑基元数量遵循明确数学关系的类富勒烯结构演变。理论计算表明，沿笼簇弯曲表面广泛延展的(d–p)π共轭网络对稳定这类铌钒笼簇发挥重要作用，其中五边形单元主要有助于增强笼簇稳定性，四边形单元则主要调节笼簇曲率和整体尺寸。

该研究首次在无机簇体系中实现了遵循明确数学关系的类富勒烯结构演变。理论计算表明，笼簇表面的球形(d–p)π共轭网络与碳富勒烯中的(p–p)π共轭相似，对笼簇稳定发挥重要作用，其中五边形构筑基元对笼簇的能量稳定性贡献尤为显著。该工作将类富勒烯结构演变拓展至多金属氧簇体系，为可预测无机分子簇的理性设计提供了新的思路。

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2602851123