巯基保护的金纳米团簇的磁性调控的理论研究

Compared with the traditional magnetic materials such as iron, cobalt, and nickel, the thiolate-protected gold nanoclusters as magnetic material have its own unique advantages: (1) Very stable structures; (2) No need additional antioxidant protection agent; (3) It is very easy to control the morphology, size, and the type of the protection agent, which is very beneficial for the study of magnetic properties of thiolate-protected gold nanoclusters; (4) By through the thiol molecules, the protein molecules and DNA can be easily bind with gold atom to form stable magnetic biological molecules, which can play positive role in the biomedicine. In this research proposal, the following aspects will be focused based on first principles: (1)The generation of magnetic mechanism in thiolate-protected gold nanoclusters and the effect of protection agent and size on the magnetism will be studied to eliminate the controversy on the experimental side. (2) The magnetic doping of the thiolate-protected gold nanoclusters Au25(SCH3)18- and Au38(SCH3)24 will be investigated, then the studies are extended from the magnetic doping of the thiolate-protected gold nanoclusters to the magnetic doping of the thiolate-protected gold nanowires. (3) The interaction between the amino acid molecules and the magnetic doping of the thiolate-protected gold nanoclusters will be studied to obtain the likely configuration of the amino acid molecules. In addition, the transport and purification process of magnetic gold quantum dot bind with amino acid molecules will be simulated.

相比传统的磁性材料铁、钴和镍，巯基保护的金纳米团簇作为磁性材料有自己独特的优势：（1）结构非常稳定；（2）无需额外的抗氧化保护剂；（3）可以多手段的改变巯基保护的金纳米团簇的形貌，粒径，保护剂的种类等参数，有利于磁性能的研究；（4）可以通过硫醇分子使得金颗粒与蛋白质，DNA等结合起来，形成非常稳定的磁性生物分子结构，在生物医学中发挥积极作用。本课题拟基于第一性原理方法重点研究以下几个方面的内容：（1）基于最新的实验结果研究巯基保护的金纳米团簇的磁性产生机理以及保护剂和尺寸对团簇的磁性的影响，消除实验上在解释磁性产生机理方面存在的争议。（2）对巯基保护的金纳米团簇Au25(SCH3)18-和Au38(SCH3)24进行磁性掺杂，并扩展到磁性掺杂的巯基保护的金纳米线；（3）通过研究磁性掺杂的金纳米团簇与氨基酸分子的作用机理来确定氨基酸分子可能的组态，模拟其在生物环境中的输运和提纯过程。

众所周知，“八电子规则”是现代化学的理论基础，是理解和解释主族元素分子结构稳定性和物化性质的基石。随后发展的“十八电子规则”和“Wade规则”在20世纪也取得巨大成功，成为理解过渡金属分子和小尺寸团簇的基本化学理论。但随着近20年来纳米技术的巨大进展，传统化学理论是否在纳米尺度仍然适用引起人们广泛关注。特别对于金属纳米团簇，迄今人们普遍认为其是由一个一个金属原子随机生长而来，并不存在一个普适的化学规则。在本项目中，我们成功地将两电子和八电子规则引入到金纳米团簇，建立了一个非常普适的全统一模型GUM来描述配体保护的金纳米团簇。该模型认为每个金原子有三个不同的电子价态，配体保护的金纳米团簇的金核可以分解为一系列的三角形Au3和四面体Au4的基本单元和二十面体的Au13的二级单元，而且Au3和Au4满足双电子规则，Au13满足八电子规则。当这些基本单元和二级单元堆积在一起时，就形成了结构各异的稳定的金纳米团簇。.我们还发现GUM具有非常广泛的应用。首先，基于该模型，我们可以将具有不同尺寸和对称性的配体保护的金纳米团簇的金核结构分解成一系列的三角形Au3和四面体Au4的基本单元和二十面体的Au13的二级单元，配体保护的金团簇的稳定性是由这些单元的局域稳定性来决定的。 其次，该模型还有助于理解配体保护的金团簇的结构演化，这些团簇的生长可以理解为基本单元或者二级单元的的顺序增加，而不能简单地视为单个金原子的增加。再次，该模型的另一个应用是理解硫醇盐保护的金纳米团簇的结构异构化。最后，该模型可用于预测新的配体保护的金团簇，从而指导实验合成。.因此，GUM不仅提供了对当今已知的几乎所有配体金簇的堆积方式和结构演变的新见解，而且还提供了对配位金属簇的合理设计和表征的系统途径，以指导未来的实验合成。