近日，中科院化學所王太山等研究團隊，在金屬富勒烯超分子體系中自旋與熒光性質的協同作用方面研究取得進展，以“Synergistic modulation of spin and fluorescence signals in a nano-Saturn assembled by a metallofullerene and cycloparaphenylene nanohoop”為題，發表在《Nano Research》期刊上。

研究內容與圖文

分子基自旋材料在高密度信息存儲器、量子技術等方面具有重要的應用價值。其中，開殼層內嵌金屬富勒烯是一種獨特的分子基自旋體系，具有高的化學穩定性。中科院化學所王太山研究員團隊推動了金屬富勒烯電子自旋材料在納電子器件、傳感等領域的創新性應用。現階段，需要進一步探索金屬富勒烯的電子自旋特性，設計新型的自旋體系，開發金屬富勒烯自旋材料的功能。

在該研究中，團隊先構筑了金屬富勒烯Sc3C2@C80與環苯撐納米環的超分子體系（Sc3C2@C80?TB[12]CPP和Sc3C2@C80?[12]CPP），然后，通過變溫電子順磁共振(EPR)和變溫熒光測試獲得了客體Sc3C2@C80的EPR信號和主體環苯撐的熒光光譜隨溫度的變化趨勢，并進行分析。

結果表明，從290 K下降至170 K溫度變化過程中，客體Sc3C2@C80的EPR信號和本體環苯撐的熒光具有同步的變化。另外通過變溫核磁氫譜和理論計算，發現超分子體系中自旋與熒光性質的協同作用，來源于變溫時主客體作用的改變。對比研究發現，主客體作用越強，自旋與熒光的協同越顯著。這些研究表明超分子組裝可用于設計具有光磁耦合性質的新型分子自旋體系，從而適用于信息處理、量子科學等前沿技術。

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

圖2. Sc3C2@C80?[12]CPP的 (a)分子結構和 (b) 電子自旋密度分布圖。Sc3C2@C80?TB[12]CPP的 (c)分子結構和 (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，右側插圖顯示了所選EPR信號的放大視圖。(c)Sc3C2@C80、Sc3C2@C80?[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP的EPR信號強度隨溫度變化圖。(d) Sc3C2@C80、Sc3C2@C80?[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP的EPR信號線寬隨溫度變化圖。

圖4.變溫熒光光譜。(a) [12]CPP, (b) TB[12]CPP, (c) Sc3C2@C80?[12]CPP和(d) Sc3C2@C80?TB[12]CPP的變溫熒光光譜，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熒光峰強度（440 nm）隨溫度的變化。(f) TB[12]CPP和Sc3C2@C80?TB[12]CPP熒光峰強度（560 nm）隨溫度的變化。

圖5. EPR信號和熒光性質協同調制作用。(a) Sc3C2@C80?TB[12]CPP和Sc3C2@C80的EPR信號線寬差值隨溫度的變化。(b) Sc3C2@C80?TB[12]CPP和TB[12]CPP熒光強度差值隨溫度的變化。

審核編輯 ：李倩