中国学者一作，三位大牛强强联手Science！
米测MeLab
2024-05-29
研究背景
随着纳米技术和分子工程的迅速发展，低维材料的设计和合成引起了广泛关注。这些材料在电子、光学和磁性等方面展现出独特的性质，因而在纳米电子学、催化和传感器领域具有巨大的应用潜力。N-杂环卡宾（NHC）是一类强力配体，其与过渡金属原子的共价相互作用形成的前线分子轨道（FMOs）具有独特的电子特性。这些新兴的电子态已被广泛应用于化学催化和功能材料的研究。然而，尽管已经探索了在表面自组装单分子层中形成卡宾-金属配合物，但设计和电子结构表征扩展的低维NHC-金属晶格仍然面临诸多挑战。NHC配体与金属的键合通常会导致形成稳定的金属有机结构，这些结构在催化和材料科学中表现出显著的优势。然而，现有的研究主要集中在单分子层或小分子配合物上，对于延伸到一维或二维的NHC-金属晶格的研究较少。传统方法难以控制这些低维结构的有序组装和电子性质，从而限制了其在实际应用中的潜力。此外，这些低维结构的功函数通常较高，限制了其在电子器件中的应用。为了解决这一挑战，加州大学伯克利分校Felix R. Fischer教授，Michael F. Crommie教授和中国科学院外籍院士Steven G. Louie等人在“Science”期刊上发表了题为“Synthesis and characterization of low-dimensional N-heterocyclic carbene lattices”的最新论文。加州大学伯克利分校化学系郄博宇博士、物理系Wang Ziyi博士、Jiang Jingwei博士为论文共同第一作者。本研究提出了一种稳健的方法，通过战略性设计分子前体进行自下而上原位合成，成功构建了一维（1D）和二维（2D）的NHC-金属晶格。具体而言，我们通过精确工程化NHC–Au连接的前线轨道，成功设计并合成了一维链（1D-NHCAuC）和二维Kagome晶格（2D-NHCAuKL）。这些低维结构的电子特征源自独特的NHC-金属键合模式。通过扫描隧道光谱和第一性原理密度泛函理论，我们揭示了C-Au-C π键合分子态对分散带的贡献，发现这些低维晶体具有异常低的功函数，与体块碱金属相当。 本研究不仅解决了低维NHC-金属晶格的有序组装和电子性质控制的问题，还展示了一种高度模块化的自下而上方法，为未来探索低维NHC–过渡金属网络中出现的电子和磁性现象奠定了基础。这种方法为设计和合成具有特定功能的低维材料提供了新的途径，有望推动相关领域的发展。
科学亮点
（1）本实验首次采用了模块化方法，通过精心设计分子前体进行自下而上原位合成，成功地构建了一维金属有机链（1D-NHCAuC）和二维Kagome晶格（2D-NHCAuKL）。（2）实验结果显示，通过确定性地工程化NHC–Au连接的前线轨道，得到了具有内在金属性质的低维NHC晶格。这些结构展现出独特的电子特征，源自NHC–金属键合模式。 （3）通过扫描隧道光谱和第一性原理密度泛函理论分析，揭示了C–Au–C π键合分子态形成的单电子占据分子轨道（SOMO）的异常高能量，导致这些低维晶体的功函数降低。（4）与体块碱金属相比，这些低维NHC晶格的功函数具有可比性，为未来研究提供了探索低维NHC–过渡金属网络中出现的电子和磁性现象的机会。
图文解读
图2. 自下而上的1D-NHCAuC和2D-NHCAuKL的合成。
总结展望
本研究提出的创新设计方法和成功构建的低维NHC晶格为材料科学领域带来了重要的科学启迪。首先，通过精心设计分子前体进行自下而上的原位合成，可以实现具有特定功能和结构的分子网络的制备，为构建新型功能材料奠定了基础。其次，研究通过精确工程NHC–Au连接的前线轨道，成功构建了一维链和二维Kagome晶格，揭示了NHC与过渡金属之间的独特键合模式，为理解和利用这些体系的电子和磁性性质提供了新思路。同时，利用扫描隧道光谱和第一性原理密度泛函理论对构建的NHC晶格进行了电子结构表征，发现了具有异常低功函数的特性，为开发新型低功函数材料提供了重要参考。最后，采用高度模块化的自下而上方法，不仅为NHC晶格的构建提供了灵活性和可控性，还为其他分子系统的设计与合成提供了新思路。因此，本研究为未来材料科学的发展提供了新的思想和方法，有望为设计新型功能材料和电子器件带来重大突破。 Boyu Qie et al. ,Synthesis and characterization of low-dimensional N-heterocyclic carbene lattices.Science384,895-901(2024).DOI:10.1126/science.adm9814
