金屬富勒烯超分子體系中電子自旋與熒光性質(zhì)的協(xié)同作用

近日，中科院化學(xué)所王太山等研究團(tuán)隊(duì)，在金屬富勒烯超分子體系中自旋與熒光性質(zhì)的協(xié)同作用方面研究取得進(jìn)展，以“Synergistic modulation of spin and fluorescence signals in a nano-Saturn assembled by a metallofullerene and cycloparaphenylene nanohoop”為題，發(fā)表在《Nano Research》期刊上。

研究?jī)?nèi)容與圖文

分子基自旋材料在高密度信息存儲(chǔ)器、量子技術(shù)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。其中，開(kāi)殼層內(nèi)嵌金屬富勒烯是一種獨(dú)特的分子基自旋體系，具有高的化學(xué)穩(wěn)定性。中科院化學(xué)所王太山研究員團(tuán)隊(duì)推動(dòng)了金屬富勒烯電子自旋材料在納電子器件、傳感等領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用。現(xiàn)階段，需要進(jìn)一步探索金屬富勒烯的電子自旋特性，設(shè)計(jì)新型的自旋體系，開(kāi)發(fā)金屬富勒烯自旋材料的功能。

在該研究中，團(tuán)隊(duì)先構(gòu)筑了金屬富勒烯Sc3C2@C80與環(huán)苯撐納米環(huán)的超分子體系（Sc3C2@C80?TB[12]CPP和Sc3C2@C80?[12]CPP），然后，通過(guò)變溫電子順磁共振(EPR)和變溫?zé)晒鉁y(cè)試獲得了客體Sc3C2@C80的EPR信號(hào)和主體環(huán)苯撐的熒光光譜隨溫度的變化趨勢(shì)，并進(jìn)行分析。

結(jié)果表明，從290 K下降至170 K溫度變化過(guò)程中，客體Sc3C2@C80的EPR信號(hào)和本體環(huán)苯撐的熒光具有同步的變化。另外通過(guò)變溫核磁氫譜和理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)超分子體系中自旋與熒光性質(zhì)的協(xié)同作用，來(lái)源于變溫時(shí)主客體作用的改變。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，主客體作用越強(qiáng)，自旋與熒光的協(xié)同越顯著。這些研究表明超分子組裝可用于設(shè)計(jì)具有光磁耦合性質(zhì)的新型分子自旋體系，從而適用于信息處理、量子科學(xué)等前沿技術(shù)。

圖1. Sc3C2@C80?TB[12]CPP超分子體系中的自旋與熒光協(xié)同作用示意圖。

圖2. Sc3C2@C80?[12]CPP的 (a)分子結(jié)構(gòu)和 (b) 電子自旋密度分布圖。Sc3C2@C80?TB[12]CPP的 (c)分子結(jié)構(gòu)和 (d) 電子自旋密度分布圖。

圖3.變溫EPR譜。在(a) 290K和(b) 170K溫度下，Sc3C2@C80、Sc3C2@C80?[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP的EPR譜圖，樣品溶解在CS2溶液中且取相同體積和摩爾濃度，右側(cè)插圖顯示了所選EPR信號(hào)的放大視圖。(c)Sc3C2@C80、Sc3C2@C80?[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP的EPR信號(hào)強(qiáng)度隨溫度變化圖。(d) Sc3C2@C80、Sc3C2@C80?[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP的EPR信號(hào)線寬隨溫度變化圖。

圖4.變溫?zé)晒夤庾V。(a) [12]CPP, (b) TB[12]CPP, (c) Sc3C2@C80?[12]CPP和(d) Sc3C2@C80?TB[12]CPP的變溫?zé)晒夤庾V，樣品溶解在CS2溶液中且取相同體積和摩爾濃度。(e) [12]CPP和Sc3C2@C80?[12]CPP熒光峰強(qiáng)度（440 nm）隨溫度的變化。(f) TB[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP熒光峰強(qiáng)度（560 nm）隨溫度的變化。

圖5. EPR信號(hào)和熒光性質(zhì)協(xié)同調(diào)制作用。(a) Sc3C2@C80?TB[12]CPP和Sc3C2@C80的EPR信號(hào)線寬差值隨溫度的變化。(b) Sc3C2@C80?TB[12]CPP和TB[12]CPP熒光強(qiáng)度差值隨溫度的變化。

審核編輯 ：李倩