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 “一代材料、一代產業”。新材料是電子信息、新能源、生物醫藥、航天航空等新興戰略產業的基礎。就像生命體中基因研究類似，新材料可以解構為結構基元、相互鏈接和作用、排序與對稱性等“材料基因”。對新型的結構基元和團簇的探索與發現是材料基因研究的基礎。

中國科學院化學所與北京大學深圳研究生院新材料學院聯合團隊（姚建年院士、潘鋒教授、駱智訓研究員）基于自主研制的深紫外儀器平臺，并結合量子化學計算，發現了具有特殊穩定性的類鈣鈦礦結構中性團簇Co13O8，是新型的“金屬氧立方”（metalloxocubes）團簇，具有獨特的立方芳香性，這類新型的氧鈍化金屬團簇有望用作新型“基因”開發新材料。研究成果以“Co13O8—metalloxocubes: A new class of perovskite-like neutral clusters with cubic aromaticity”為題，最近發表在《國家科學評論》(National Science Review，doi.org/10.1093/nsr/nwaa201)上。

Co13O8團簇結構及芳香性示意圖

研究團隊使用先進的皮秒脈寬177.3nm深紫外激光高效光電離質譜（DUV-LIMS）技術，氣相合成了一系列Con團簇，并觀測了中性鈷團簇與氧氣的反應，從中發現了具有特殊穩定性的幻數團簇Co13O8（如下圖）。

A為純的中性Con團簇質譜分布；B/C為Con團簇與中量及大量氧氣反應后質譜分布；插圖為儀器制樣方法與Co13O8氧立方的NICS芳香性描述

為了研究Co13O8團簇的幾何結構及化學/物理性質，研究者運用3種不同的計算方法進行結構搜索，發現13個金屬在中心而8個氧原子錨定8個角的金屬氧立方結構（metalloxocubes），其獨特的穩定性與其體心立方結構、突出的前線軌道能隙，乃至芳香性均相關。通過計算其核獨立化學位移與磁感應電流密度，并結合電子結構與軌道分析，研究者還深入詮釋了Co13O8的立方芳香性及其化學本質。

研究者還探索了從二十面體Co13到立方Co13O8的結構演化過程中的熱力學和反應動力學機理。這項研究是從理解原子到宏觀物質的結構演變出發，并由此構建新材料、探索穩定團簇新物種的一次有益嘗試。具有獨特穩定性和立方芳香性的“金屬氧立方”中性氧鈍化金屬團簇有望成為一種合適的候選基因材料。

該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃、廣東省重點實驗室和深圳市科技創新委員會等項目的大力支持。