金属富勒烯超分子体系中电子自旋与荧光性质的协同作用

近日，中科院化学所王太山等研究团队，在金属富勒烯超分子体系中自旋与荧光性质的协同作用方面研究取得进展，以“Synergistic modulation of spin and fluorescence signals in a nano-Saturn assembled by a metallofullerene and cycloparaphenylene nanohoop”为题，发表在《Nano Research》期刊上。

研究内容与图文

分子基自旋材料在高密度信息存储器、量子技术等方面具有重要的应用价值。其中，开壳层内嵌金属富勒烯是一种独特的分子基自旋体系，具有高的化学稳定性。中科院化学所王太山研究员团队推动了金属富勒烯电子自旋材料在纳电子器件、传感等领域的创新性应用。现阶段，需要进一步探索金属富勒烯的电子自旋特性，设计新型的自旋体系，开发金属富勒烯自旋材料的功能。

在该研究中，团队先构筑了金属富勒烯Sc3C2@C80与环苯撑纳米环的超分子体系（Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP和Sc3C2@C80⊂[12]CPP），然后，通过变温电子顺磁共振(EPR)和变温荧光测试获得了客体Sc3C2@C80的EPR信号和主体环苯撑的荧光光谱随温度的变化趋势，并进行分析。

结果表明，从290 K下降至170 K温度变化过程中，客体Sc3C2@C80的EPR信号和本体环苯撑的荧光具有同步的变化。另外通过变温核磁氢谱和理论计算，发现超分子体系中自旋与荧光性质的协同作用，来源于变温时主客体作用的改变。对比研究发现，主客体作用越强，自旋与荧光的协同越显著。这些研究表明超分子组装可用于设计具有光磁耦合性质的新型分子自旋体系，从而适用于信息处理、量子科学等前沿技术。

图1. Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP超分子体系中的自旋与荧光协同作用示意图。

图2. Sc3C2@C80⊂[12]CPP的 (a)分子结构和 (b) 电子自旋密度分布图。Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP的 (c)分子结构和 (d) 电子自旋密度分布图。

图3.变温EPR谱。在(a) 290K和(b) 170K温度下，Sc3C2@C80、Sc3C2@C80⊂[12]CPP和Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP的EPR谱图，样品溶解在CS2溶液中且取相同体积和摩尔浓度，右侧插图显示了所选EPR信号的放大视图。(c)Sc3C2@C80、Sc3C2@C80⊂[12]CPP和Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP的EPR信号强度随温度变化图。(d) Sc3C2@C80、Sc3C2@C80⊂[12]CPP和Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP的EPR信号线宽随温度变化图。

图4.变温荧光光谱。(a) [12]CPP, (b) TB[12]CPP, (c) Sc3C2@C80⊂[12]CPP和(d) Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP的变温荧光光谱，样品溶解在CS2溶液中且取相同体积和摩尔浓度。(e) [12]CPP和Sc3C2@C80⊂[12]CPP荧光峰强度（440 nm）随温度的变化。(f) TB[12]CPP和Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP荧光峰强度（560 nm）随温度的变化。

图5. EPR信号和荧光性质协同调制作用。(a) Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP和Sc3C2@C80的EPR信号线宽差值随温度的变化。(b) Sc3C2@C80⊂TB[12]CPP和TB[12]CPP荧光强度差值随温度的变化。

审核编辑 ：李倩