11月17日，国际顶级期刊Science在线发表了南开大学的最新研究成果。该研究成果揭示了全金属富勒烯的合成及成键机制，展示了一种全新的化合物合成技术以及对金属键的精准调控在结构化学中的应用，为新材料的创制提供了崭新的研究思路。

揭开富勒烯科技奥秘

富勒烯是天文学家在研究宇宙星云时发现的，它虽然原本在地球上不存在，但在宇宙中却广泛分布。1985 年，英美两国科学家在实验室模拟了高真空高能量的宇宙环境，利用激光蒸发放置在真空室内的石墨，首次在地球上合成了富勒烯 C60，随后这几位科学家于 1996 年获得了诺贝尔化学奖。自此以后，富勒烯被人们广泛认识，并被视作宇宙送给人类的礼物。

富勒烯具有稳定的三维非定域共轭分子结构，能够强效淬灭自由基。带未成对电子的自由基在富勒烯丰富的电子云作用下实现电子对配合而失活，在此过程中富勒烯并不与自由基发生反应，其仅起到电子传输作用，所以可长效稳定发挥作用。富勒烯具有淬灭自由基，长效抗氧化、抑制炎症因子、调节炎症反应、修复、保护细胞活性三大功效。分子生物学研究发现富勒烯通过调节细胞内线粒体呼吸链复合体酶进而修复线粒体损伤，维持了细胞代谢稳态。

此外，富勒烯可以保护 I/IV 型胶原纤维，主要是抑制 I/IV 型胶原纤维的破坏，皮肤内的过氧化氢酶和谷胱甘肽会被紫外线和自由基抑制，而 C60 不会受影响，因此可补充皮肤的生理抗氧化活性。富勒烯还可在皮肤内与 VC 协同增效，维持胶原蛋白的正常合成，主要是保护 VC 免受活性氧的伤害，使更多的 VC 保持活性，维护胶原蛋白合成酶的活性，促进胶原蛋白的合成。与其他护肤品成分相比，富勒烯材料的应用难点在于其生产难度大、产量小，因为富勒烯原本不存在地球上，无法天然获取，所以必须依托于高科技技术手段才可获得。十几年前，富勒烯曾经是最昂贵的化妆品原料之一。但在国内外科学家的努力下，高纯度富勒烯批量制备技术已经攻克，富勒烯材料的成本也大幅度下降，已经成为可以用得起的化妆品原料。

南开大学首次合成全金属富勒烯！

1985年，由60个碳原子构成的足球状碳簇C60首次被发现，被称为富勒烯。因具有独特的高度对称的结构、特殊的物理性质以及多种多样的化学反应特性，科学家们开始不断探索其在不同领域的应用。近期，在无机合成及配位化学领域，南开大学团队取得了重大突破。

研究人员通过单晶x射线衍射（XRD）确定了团簇的结构，揭示了由20个锑原子组成的富勒烯骨架。[K@Au12Sb20]5−簇完全由Au–Sb键结合在一起，利用二十面体-十二面体对偶，从而保留了二十面体的近球形几何结构，其大小与C60相似，但由32个原子组成。理论计算进一步表明，这种独特的团簇表现出芳香性。该研究展示了一种全新的化合物合成技术以及对金属键的精准调控在结构化学中的应用，为新材料的创制提供了崭新的研究思路。相关研究成果以“An all-metal fullerene: [K@Au12Sb20]5−”为题，11月17日发表于《Science》。

这一裸露的重金属球状团簇的稳定性得以实现，一方面归因于中心的钾离子起到了模板支撑作用，另一方面，金-锑之间独特的异金属键在维持整体结构完整性方面发挥了至关重要的作用

理论计算结果显示，该分子的最显著特征之一是其三维球芳香电子结构，这导致在团簇表面形成了一层离域 π 电子云，赋予全金属富勒烯化合物独特的物理化学特性。这一发现有望在光电材料或室温催化等领域发挥重要作用，具备广泛的应用潜力。

美国化学与工程新闻报道这一研究工作时认为，这种无机富勒烯可能有助于化学家设计并合成其他精密构造的纳米结构。德国图宾根大学化学家Andreas Schnepf教授表示，这种分子具有引人注目的键合特性，他认为这些团簇在溶液中可能展现出有趣的反应性和应用潜力。

这一突破性成果，凸显了南开大学在合成化学及主族金属元素配位化学领域的重要地位。

孙忠明教授课题组长期致力于合成化学及主族金属元素配位化学领域的研究，培养出了多位“博新计划”入选者、洪堡学者等学术骨干。本论文的第一作者是博士研究生徐毓贺，她自硕士研究生阶段起便在孙忠明教授课题组进行科研学习，团队温馨向上的氛围令她倍感珍惜，激励着她在科研道路上飞速成长、一路前行，同时，南开大学浓郁的学术氛围、精准的培养模式，也为学生提供了培育梦想的土壤与绽放才华的舞台。

南开大学材料科学与工程学院博士研究生徐毓贺是本论文的第一作者，孙忠明教授为论文通讯作者。该工作得到了山西大学田文娟博士、智利圣塞巴斯蒂安大学Muñoz-Castro教授以及德国马尔堡大学Frenking教授在理论计算方面的重要辅助支持。其他相关数据分析得到了王学斌教授、徐骏副教授、李宁博士的支持。

该研究还得到了国家自然科学基金委、天津市科学技术局和南开大学有关项目资助。

总结

该研究首次通过热湿法合成了全金属富勒烯—[K@Au12Sb20]5−，其中Au-Sb杂键在保持笼的结构完整性方面发挥着至关重要的作用，而内面阳离子则充当结构形成的模板。未来的研究将集中在探索其他的合成策略，利用笼状物组成和内面体模板之间的相互作用，从而实现更大的全金属富勒烯的合理和可控合成。这些超级原子由于其原子级精确的近球形结构，因此在设计和制造精密工程纳米结构方面具有巨大潜力。

文章来源： 中国化妆品，南开大学，南开大学本科招生，Carbontech