近日，我所纳米团簇实验室翟华金教授、李思殿教授与清华大学李隽教授、美国布朗大学Lai-Sheng Wang教授及复旦大学刘智攀教授合作，结合气相光电子能谱实验和高精度量子化学计算，首次观察到全硼富勒烯B₄₀^-和B₄₀团簇 (all-boron fullerene)，并命名其为borospherene。该研究成果实现硼化学和类富勒烯分子研究领域的重大突破。7月13日，该工作以我校为第一作者单位在国际权威学术期刊《自然•化学》在线发表 (Nature Chemistry, 2014, DOI: 10.1038/NCHEM.1999)，7月14日出版的《光明日报》在头版对此工作进行了专题报道(http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2014-07/14/nw.D110000gmrb_20140714_5-01.htm)。分子科学研究所在读博士研究生陈强、白慧、田文娟及研究人员吕海港、吴艳波、穆跃文是论文的共同作者。
 

　　1985年，以笼状C₆₀为代表的富勒烯家族的发现成为世界科学史上的重要里程碑。近三十年来，科学家们一直在探索周期表中与碳紧邻的硼元素是否也可能形成笼状富勒烯结构，但长期没有确定的答案。硼是典型的缺电子体系，具有与碳迥异的结构和性质。2000年以来，Lai-Sheng Wang教授、翟华金教授、李隽教授与李思殿教授致力于硼化学研究，系统推进硼团簇和硼氧团簇的光电子能谱实验和高精度量子化学计算，开拓了平面硼研究新领域，并提出了硼羰基化学 (boronyl chemistry) 新概念。同时，他们多年来重点关注硼团簇从二维到三维的结构过渡。但直到2013年初，国际上一直未能在实验上确定笼状硼团簇的存在。

　　2013年3月以来，经过一年多时间的艰苦努力，结合B₄₀^-的特征光电子能谱、广泛全局结构搜索和严格的高精度量子化学计算，中美学者首次在气相中观察到由双链交织而成、具有完美D_2d对称性的笼状B₄₀^-/0全硼富勒烯团簇。该笼状结构由顶端和底端两个交错B₆六元环及腰上两两相对的四个B₇七元环相互融合而成，沿C₂二重主轴方向略有拉长，整体分子恰似传统的“中国红灯笼”(Chinese red lantern)。全硼富勒烯B₄₀是继C₆₀之后第二个从实验和理论上确认的自由 (free-standing) 无机非金属笼状团簇。B₄₀^-/0红灯笼分子的结构独特性在于其表面由硼-硼双链纵横交织而成，含两个六元环和四个七元环表面。分子结构上与六面体立方烷 (C₈H₈) 类似，表明硼-硼双链等价于碳-碳单链。这些结构特征在传统富勒烯分子中是不存在的。

　　全硼富勒烯B₄₀红灯笼分子的高度稳定性源于其独特化学成键。B₄₀表面48个B₃三角形含有48个三中心离域σ键，12条双链棱上则覆盖着12个离域π键。简而言之，B₄₀的120个价电子全部参与离域成键，π和σ两种离域键均匀分布在富勒烯笼表面，分子整体呈立体芳香性。笼状双离域芳香性在已知分子和团簇中尚属首例。

　　进一步研究表明，与C₆₀类似，全硼富勒烯B₄₀^-/0可能作为分子器件，进行各种化学修饰、配体保护和金属掺杂，形成稳定的二维和三维纳米结构，生成具有新颖性质的纳米材料，在能量储存、半导体材料、催化等领域具有重要应用前景。全硼富勒烯B₄₀^-/0的发现标志着全硼富勒烯实验和理论研究的开端，预示着一个与碳富勒烯平行的、具有广阔科学前景的新兴研究领域。

　　该研究成果是山西大学“分子科学与功能材料”校级协同创新中心的一次生动、成功展示。该工作得到国家自然科学基金、国家重点基础研究专项、山西省国际合作项目、山西省“三晋学者”特聘教授支持计划和山西大学引进高层次人才科研启动基金联合资助。