X射線晶體衍射揭示金屬納米粒子中的同分異構現象

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所伍志鯤研究員課題組與國內外多個研究小組合作，發現了金屬納米粒子的同分異構現象，相關研究結果以“Structural isomerism in gold nanoparticles revealed by X-ray crystallography（X射線晶體衍射揭示的金屬納米粒子中的同分異構現象）”為題發表在Nature communications (文章鏈接：http://www.nature.com/ncomms/2015/151020/ncomms9667/full/ncomms9667.html)上。該研究工作得到了國家自然科學基金優秀青年基金（項目號：21222301）等的支持。

　　大自然的奧妙之一在于一些物種具有相同的組成，卻具有不同的結構（包括結構異構、手性異構等），這些異構體為人們理解結構與功能的關系提供了極好的材料。同分異構現象在有機化合物中很常見。對于納米粒子而言，由于精細結構的解析較為困難，因此，異構現象的實驗研究一直受到阻礙。早在2004年，沈陽金屬所的盧柯院士就發現了孿晶（Science, 2004），這暗示了納米材料中可能存在這些異構現象；諾貝爾獎獲得者Roger D. Kornberg教授在2007年第一次用單晶X-射線衍射揭示了超小納米粒子Au102中的手性異構現象（Science，2007）；國家納米中心的唐智勇課題組也發現了納晶中的手性異構現象（J. Am. Chem. Soc.，2010）；Gruene等人預言氣相團簇中存在異構現象（Science，2008），此外，多個小組也從理論上預言了超小納米粒子（納米團簇）中同分異構現象的存在，然而目前還沒有通過實驗手段獲得納米粒子同分異構體的研究報道。

　　伍志鯤研究員課題組通過精細調控反應條件，成功獲得了一種常溫較穩定的新納米團簇（簡稱為Au38T）。該納米團簇與2010年卡內基梅隆大學Rongchao Jin教授課題組報道的Au38(SC2H4Ph)24（簡稱為Au38Q， J. Am. Chem. Soc.，2010）有著完全相同的組成，但是經過單晶X-射線衍射分析發現，這兩種金納米團簇具有完全不同的原子排列方式，首次在實驗上證實了納米粒子中同分異構現象的存在。（圖1）。

圖1. 金屬納米粒子中的同分異構體Au38T（圖中左側分子）與Au38Q（圖中右側分子）的示意圖

　　盡管這兩種Au38金屬納米粒子組成完全一樣，但其同分異構體具有明顯不同的催化活性：該工作報道的Au38T能夠在低溫（0℃）催化對硝基苯酚的還原反應，30分鐘內可獲得44%的產物，并且可循環使用15次以上；而Au38Q在同樣的條件下，卻不能催化該反應（圖2）。此外，這兩種Au38異構體之間能發生轉化：在50℃條件下，Au38T會不可逆地慢慢轉化成Au38Q（圖2）。有關研究還在進一步探索中。

圖2. Au38T與Au38Q之間不可逆的轉化及其催化性能差異

　　中國科學院合肥物質科學研究院為該工作的第一完成單位（第一作者和通訊作者）。卡內基梅隆大學，南京大學，中國科學技術大學為合作單位，提供了質譜、X-射線單晶衍射等重要實驗數據和結構方面的重要理論支持。