【儀表網 研發快訊】近日，北京理工大學王太山課題組報道了利用基于金屬富勒烯的分子自旋傳感器來原位探測芳香族化合物結晶相變的研究成果，相關研究以“Molecular spin sensor for in-situ monitoring of crystallization behavior and phase transition in aromatic materials”為題在國際著名期刊《Nature Communications》上發表。北京理工大學化學與化工學院王太山教授為論文通訊作者。此項研究得到了國家自然科學基金等項目的資助以及北京理工大學分析測試中心的支持。
近年來，電子自旋因其獨特的量子特性在前沿科技領域展現出廣闊的應用前景。其中，分子自旋體系因其可通過化學工程實現自旋活性材料制備、自旋調控、分子尺度自旋傳感與測量等特性而備受關注。
具有電子自旋特性的內嵌富勒烯作為一類分子自旋材料，在量子傳感與量子信息處理等領域展現出應用潛力。北京理工大學王太山課題組致力于基于內嵌金屬富勒烯的分子自旋材料研究，在自旋性質調控與感知功能方面取得了系列創新研究成果。其中，課題組開發的金屬富勒烯Y2@C79N是具有獨特自旋性質的分子，其電子自旋位于籠內Y2團簇上，具有特征的電子順磁共振(EPR)信號。課題組前期研究揭示了該分子碳籠的N雜區域與苯基具有π-π相互作用，并且自旋EPR信號可靈敏感知這種弱作用。因此，基于此特性進一步探索Y2@C79N的自旋感知功能具有重要意義。
圖1. Y2@C79N的結構及自旋感知芳香族化合物取向示意圖
針對上述科學問題，課題組研究人員將Y2@C79N分別溶解在兩種具有重要應用價值的芳香族化合物中，包括廣泛應用于有機太陽能電池作為溶劑添加劑的1-氯萘，以及經典的液晶材料5CB(4-氰基-4'-戊基聯苯)，通過測量體系的變溫EPR信號，研究發現Y2@C79N的自旋EPR信號能夠反映芳香族化合物的結晶和相變過程。如圖1所示，Y2@C79N的傳感機制是氮雜富勒烯碳籠與芳香環化合物之間存在π-π相互作用，隨著化合物的結晶Y2@C79N也隨之取向，這種取向會顯著影響其EPR信號的特征。
材料的結晶和相變過程深刻影響其物理化學性質及最終性能，尤其在有機電子器件和液晶顯示等依賴有機晶體材料的關鍵領域，因此，發展監測這些微觀過程的新技術至關重要。本研究發現了金屬富勒烯自旋EPR信號對1-氯萘和5CB化合物結晶相變的靈敏響應，實現了在分子尺度上利用分子自旋感知芳香族化合物的結晶和相變過程，有望在有機晶體材料領域帶來創新性應用。
附作者簡介：
王太山，北京理工大學化學與化工學院教授。從事碳基分子電子材料的研究，以第一作者或通訊作者在J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發表研究論文60余篇。2019年獲評中國科學院青年創新促進會優秀會員，2020年獲國家基金委優秀青年科學基金資助。曾獲中國科學院院長優秀獎、徐元植順磁共振波譜學優秀青年獎等。
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