含铍体系结构与性质的理论研究

Beryllium is the lightest alkaline-earth metal with an unusual combination of physical and mechanical properties that make it particularly effective in optical components, precision instruments, and specialized aerospace applications. Along with the improvement of experimental techniques, the detailed theoretical investigation on the beryllium-containing systems is a meaningful project, and the effective cooperation between theoretical and experimental studies will promote the further development of beryllium chemistry. The subjects investigated in the present project include 1) binary clusters involving beryllium element, such as binary alloy clusters, the nonmetal-doped beryllium clusters, etc. 2) beryllium-containing nanostructures, namely the complex of Be adsorbed on Fullerene derivatives 3) unusual beryllium bonding systems, for instance, π-beryllium bonding, single-electron beryllium bonding complexes. The project aims at systematically investigating the above mentioned beryllium-containing species using ab initio and density functional theory calculations, establishing the proper computational methods for such species, revealing their structural features, stabilities, electronic structural characteristics, the bonding principles, and physical chemical properties, etc. Such theoretical investigations will provide reliable references to the synthesis and development of beryllium-containing materials, and enrich the research area of beryllium-containing clusters and nanosystems, and non-traditional beryllium bonds.

铍是最轻的碱土金属元素，金属铍具有优越的物理及机械性能，可应用于光学元件，精密仪器及航空航天等领域。随着实验科学的进展，对含铍体系的深入理论研究具有重要意义，理论与实验的相互印证将促进铍化学的进一步发展。 本项目理论化学研究的主要对象包括三类体系，第一类是含铍二元团簇体系，如二元合金团簇、非金属掺杂的铍团簇等；第二类为含铍纳米体系, 即铍包覆的富勒烯衍生物；第三类是特殊铍键复合物体系，如π-铍键、单电子铍键体系。本课题拟对上述体系采用从头计算和密度泛函方法进行系统精确理论研究，确立适合的理论研究方法，揭示其结构特点、稳定性、电子结构特征、成键规律及物理化学性质等。本项研究将为含铍材料的合成与开发提供可靠的理论依据，丰富含铍团簇、含铍纳米体系与特殊铍键的研究领域。

铍作为最轻的碱土金属，具有优越的物理及机械性能，可应用于光学元件，精密仪器及航空航天等领域。随着实验科学的进展，对含铍体系的深入理论研究具有重要意义，理论与实验的相互印证将促进铍化学的进一步发展。本项目重点对两类含铍体系进行了系统的理论研究：(1)含铍团簇体系方面，系统研究了纯铍团簇及非金属（氧，碳）、金属（铝）掺杂的铍团簇，分析了铍团簇的掺杂效应，这些二元体系的几何和电子结构、电子和能量性质、稳定性等随团簇尺寸的演变，分析了每个体系中“幻数”团簇的不同形成本质；同时，在之前研究工作的基础上设计了一系列含铍及其他碱土金属元素的超原子团簇体系，包括超碱金属，飚卤素，尤其是从多个方面论证了超原子团簇Al12Be的类氧特征，这些理论预测结果进一步充实了“三维元素周期表”，为具有可控性质的团簇组装材料设计与合成提供了新的构筑单元；对含铍超原子团簇形成的两类典型复合物进行了对比研究，分析了它们不同的成键特征和电子结构，讨论了这类超原子团簇体系的化学行为（2）在含铍（镁）体系的弱相互作用方面，重点研究了以自由基（烷基）和共轭体系（乙炔，乙烯，苯）作为路易斯碱，分别与含铍（镁）分子之间形成的特殊复合物体系，在得到势能面上最小值结构的基础上，通过能量分解分析了两类铍（镁）键形成的本质，进一步丰富了弱相互作用的种类；同时，对含第二主族元素的电子化物和碱金属化物分子的研究结果表明，这些特殊复合物体系均具有很大的第一超极化率值，从而为非线性光学材料的设计提供了潜在的研究对象。在本项目的基金支持下，在J. Am. Chem. Soc.，Inorg. Chem.，Dalton Trans.，J. Phys. Chem. C等杂志共发表论文24篇。研究结果丰富了含铍团簇与特殊铍（镁）键复合物体系的研究领域，为含铍材料的合成与开发提供了可靠的理论依据。