中国科学院合肥物质科学研究院发现金属纳米粒子的同分异构现象

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所伍志鲲研究员课题组与国内外多个研究小组合作，发现了金属纳米粒子的同分异构现象，相关研究结果以“Structural isomerism in gold nanoparticles revealed by X-ray crystallography（X射线晶体衍射揭示的金属纳米粒子中的同分异构现象）”为题发表在Nature communications (文章链接：http://www.nature.com/ncomms/2015/151020/ncomms9667/full/ncomms9667.html)上。该研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金（项目号：21222301）等的支持。

大自然的奥妙之一在于一些物种具有相同的组成，却具有不同的结构（包括结构异构、手性异构等），这些异构体为人们理解结构与功能的关系提供了极好的材料。同分异构现象在有机化合物中很常见。对于纳米粒子而言，由于精细结构的解析较为困难，因此，异构现象的实验研究一直受到阻碍。早在2004年，沈阳金属所的卢柯院士就发现了孪晶（Science, 2004），这暗示了纳米材料中可能存在这些异构现象；诺贝尔奖获得者Roger D. Kornberg教授在2007年第一次用单晶X-射线衍射揭示了超小纳米粒子Au102中的手性异构现象（Science，2007）；国家纳米中心的唐智勇课题组也发现了纳晶中的手性异构现象（J. Am. Chem. Soc.，2010）；Gruene等人预言气相团簇中存在异构现象（Science，2008），此外，多个小组也从理论上预言了超小纳米粒子（纳米团簇）中同分异构现象的存在，然而目前还没有通过实验手段获得纳米粒子同分异构体的研究报道。

伍志鲲研究员课题组通过精细调控反应条件，成功获得了一种常温较稳定的新纳米团簇（简称为Au38T）。该纳米团簇与2010年卡内基梅隆大学Rongchao Jin教授课题组报道的Au38(SC2H4Ph)24（简称为Au38Q， J. Am. Chem. Soc.，2010）有着完全相同的组成，但是经过单晶X-射线衍射分析发现，这两种金纳米团簇具有完全不同的原子排列方式，首次在实验上证实了纳米粒子中同分异构现象的存在。（图1）。

图1. 金属纳米粒子中的同分异构体Au38T（图中左侧分子）与Au38Q（图中右侧分子）的示意图

尽管这两种Au38金属纳米粒子组成完全一样，但其同分异构体具有明显不同的催化活性：该工作报道的Au38T能够在低温（0℃）催化对硝基苯酚的还原反应，30分钟内可获得44%的产物，并且可循环使用15次以上；而Au38Q在同样的条件下，却不能催化该反应（图2）。此外，这两种Au38异构体之间能发生转化：在50℃条件下，Au38T会不可逆地慢慢转化成Au38Q（图2）。有关研究还在进一步探索中。

图2. Au38T与Au38Q之间不可逆的转化及其催化性能差异

中国科学院合肥物质科学研究院为该工作的第一完成单位（第一作者和通讯作者）。卡内基梅隆大学，南京大学，中国科学技术大学为合作单位，提供了质谱、X-射线单晶衍射等重要实验数据和结构方面的重要理论支持。