新概念超原子的理论研究

拟从理论上研究纳米级、亚纳米级超原子团簇，寻找有特色的新概念超原子体系：理论探索新型磁性超原子；与某些贵金属、过渡金属等类似的超金属原子；具有更低离子化能的超级碱金属(hyperalkali)和更高电子亲和势的超级卤素(hyperhalogen)等。以研究此类超原子的电子结构、化学反应特点、催化特性、磁性等性质为出发点，理论设计新概念的超原子，拓展三维元素周期表。以具有特殊性质的超原子团簇作为基本结构单元，去组装具有应用前景的新型超原子复合物，研究体系的组成、作用方式、尺度等与其性质间的关系，为新分子器件设计、新纳米材料开发提供新途径。

新概念超原子的理论研究工作聚焦在设计系列新型的团簇体系—“超原子”，研究其电子结构、反应特性、复合物的结构与性质等。超原子是一种特殊的团簇体系，性质类似原子，其重要分支是超碱金属与超卤素。具有比碱金属原子更低离子化能的超碱金属(Superalkali)，可以用于合成新的电子转移的盐类，在化学反应中可以作为非常强的还原剂，项目组在超碱金属方面进行了系列的研究，通过总结超原子壳层的特点，及掺杂原子对团簇结构及性质的影响，设计了多种新型超碱金属。我们从单核超碱金属的研究开始，过渡到研究双核超碱金属，进而研究以集团为中心的多核超碱金属，总结了设计超碱金属的基本规律。超碱金属研究的重要的研究进展之一，是根据超原子团簇特殊的电子结构特点，创新性地提出以卤化来降低超碱土金属阳离子体系电子亲和势的新方法，并得到了一种新类型的超碱金属阳离子，通过类比研究发现，这种方法并不适用于原子维度，体现出超原子团簇的独特性质；超碱金属研究的重要的研究进展之二，“设计芳香超原子"，应用具有芳香性的团簇为核设计了一系列的芳香超碱金属阳离子，首次提出了芳香性超原子的概念，这些工作丰富了“超碱金属家族”；超卤素(superhalogen)是一类具有高电子亲和势的分子，可以作为新型氧化剂，生物催化剂或用于建构非传统型盐类，从而在化工产业中起重要作用。进一步使用超卤素作为配体，可设计得到飚卤素(hyperhalogen)分子，其电子亲和势甚至高于其超卤素配体，本课题组使用稳定的N5−芳香分子作为配体，设计了一系列新型飚卤素阴离子，此类体系有良好的稳定性，并且是高氮复合物。基于团簇的壳层模型，从理论上首次提出了一种具有类氧族性质的新型超原子，即Al12Be团簇。结果表明，Al12Be的最低能量结构是一个紧凑的类二十面体结构。从多个方面论证了Al12Be的类氧特征，为具有可控性质的团簇组装材料设计与合成提供新的构筑单元。同时项目组在超原子复合物体系的结构与性质方面也进行了系列的研究，例如超碱金属与有机配体形成的复合物，超卤素与内嵌金属富勒烯形成的离子型复合物，超碱金属与NH3分子形成复合物的结构与性质等。特别是对此类体系的非线性光学性质进行了理论预测，为设计新型非线性光学分子提供了理论参考。同时在项目的支持下，本课题组设计了团簇结构搜索的程序，在团簇结构预测，团簇的化学反应等方面起到重要作用。