近日，中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室高嶷研究员课题组与美国内布拉斯加大学林肯分校的曾晓成教授合作，提出了一个用于解释配体金纳米团簇的结构稳定性及其生长机制的普适模型GUM(Grand Unified Model)。相关研究成果发表在《自然-通讯》杂志上。(A grand unified model for liganded gold clusters, Nat. Commun. 7, 13574 doi: 10.1038/ncomms13574 (2016))。

众所周知，“八电子规则”是现代化学的理论基础，是理解和解释主族元素分子结构稳定性和物化性质的基石。随后发展的“十八电子规则”和“Wade规则”在20世纪也取得巨大成功，成为理解过渡金属分子和小尺寸团簇的基本化学理论。但随着近20年来纳米技术的巨大进展，传统化学理论是否在纳米尺度仍然适用引起人们广泛关注。特别对于金属纳米团簇，迄今人们普遍认为其是由一个一个金属原子随机生长而来，并不存在一个普适的化学规则。

长期以来，配体金纳米团簇因其独特的结构和物理化学性质以及在催化、纳米技术及生物医学等领域广泛的应用前景得到了广泛关注。近10年来，随着一系列大尺寸的配体金纳米团簇被成功结晶，人们试图提出理论模型解释其结构稳定性，但并未获得普遍成功。上海应物所的许文武博士、朱倍恩博士在高嶷研究员指导下，与美国内布拉斯加大学林肯分校和中国科技大学的曾晓成教授合作，建立了一个普适模型，实现了对迄今为止报道的所有71个配体金纳米团簇的基本理解。该模型认为每个金原子有三个不同的电子价态，三个或者四个金原子可以满足2电子的满壳层电子态，从而构成基本的结构单元(三角形Au3和四面体Au4)。当这些基本单元堆积在一起时，就形成了结构各异的稳定的金纳米团簇。该模型的建立，有力的证明了金纳米团簇的结构和生长遵循着基本的化学规律，从而为进一步理解金以外的金属纳米团簇打开了新的思路。由于这个模型非常类似于粒子物理中的基本粒子模型(即夸克有不同的“味”，三个夸克构成质子和中子，并进一步构成原子核和原子)，所以被称为“大统一模型”（Grand Unified Model）。研究人员利用该模型预测了一系列高度稳定的金团簇，从而为实现基于化学规则的纳米金团簇可控合成提供了基础。

该项研究工作得到了中国科学院、上海应物所、国家自然科学基金委、上海市科委、中组部、中国科技大学以及深圳超算中心、国家超级计算天津中心和上海超算中心以及NSFC-广东联合基金（第二期）超级计算科学应用研究专项的共同资助和支持。(水科学研究室供稿)