日前，西安交通大學化學物理研究所博士生楊濤、王巍巍、黨靜霜等同學在趙翔教授指導下，運用物理第一原理的方法系統(tǒng)深入地研究了多種功能碳納米材料富勒烯體系的幾何結構、電子結構以及相應的物理與化學性質，取得了一系列重要的科學研究成果。


　　楊濤通過系統(tǒng)研究雙稀土金屬的富勒烯包合物Lu2@C76-Td電子結構、前線分子軌道、統(tǒng)計熱力學分布等性質，發(fā)現(xiàn)了在碳籠內部的兩個金屬原子之間存在著極強的化學鍵合作用，并構成了一個新奇的金屬-金屬共價鍵。更為有趣的是，此金屬鍵在常溫下可以在其六個平衡構型之間進行快速跳動從而形成一個正四面體運動軌跡。這使得整個分子表現(xiàn)成一個具有正四面體Td對稱性的碳籠中嵌套著一個小的正四面體。由于其金屬原子表現(xiàn)出特殊運動形態(tài)，這類稀土金屬富勒烯包合物有望成為并被廣泛地應用為新型的功能分子器件。目前，完成的論文”Can a Metal-Metal Bond Hop in the Fullerene Cage?”已在國際化學領域的權威期刊《Chemistry - A European Journal》“歐洲化學”（2010年影響因子5.477）上在線發(fā)表。這是西安交通大學首次以第一作者單位在這樣的國際一流化學期刊上發(fā)表文章。

　　此外，楊濤同學系統(tǒng)地研究了單金屬富勒烯包合物Yb@C76，揭示了先前在實驗上所合成的兩個異構體是兩個新穎的具有鄰接五元環(huán)對的富勒烯包合物結構。兩個富勒烯包合物的碳籠結構之間可以通過一次簡單的幾何變換相聯(lián)系起來。統(tǒng)計熱力學分析研究表明兩個結構都具有很高的熱力學穩(wěn)定性。雖然兩個結構具有極大的幾何相似性，但精確的理論計算表明二者的電子結構和物理化學性質具有顯著的差別。此研究成果為今后進一步深入研究碳籠結構對富勒烯包合物的電子結構和物理化學性質的影響奠定了基礎。目前在此研究成果基礎上完成的論文”Non-IPR endohedral fullerene Yb@C76: density functional theory characterization”已在英國皇家化學會專業(yè)期刊《Journal of Materials Chemistry》（工程技術一區(qū)雜志，2010年影響因子5.099）（http://pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/jm）上在線發(fā)表。

　　另外，博士研究生王巍巍和黨靜霜兩位同學在趙翔教授指導下完成的研究論文《Role of Four-membered Rings in C32 Fullerene Stability and Mechanisms of Generalized Stone-Wales Transformation: A Density Functional Theory Investigation》近日在英國皇家化學會專業(yè)雜志《Phys. Chem. Chem. Phys.》“物理化學-化學物理”（化學二區(qū)雜志，2010年影響因子3.453）上在線發(fā)表，該項研究針對含有四元環(huán)的小富勒烯及其廣義Stone-Wales轉移機制進行了系統(tǒng)完整的密度泛函理論計算，在世界上首次揭示了這種奇異的功能小富勒烯碳納米材料的特殊穩(wěn)定性質以及富勒烯生長過程中的反應路徑以及相互作用機制，這項研究為在實驗上進一步合成分離小富勒烯分子提供了重要的理論依據和支撐。

　　上述研究成果均得到了國家自然科學基金和國家科技支撐計劃項目的支持。