近日，北京理工大學(xué)王太山課題組報(bào)道了利用基于金屬富勒烯的分子自旋傳感器來(lái)原位探測(cè)芳香族化合物結(jié)晶相變的研究成果，相關(guān)研究以“Molecular spin sensor for in-situ monitoring of crystallization behavior and phase transition in aromatic materials”為題在國(guó)際著名期刊《Nature Communications》上發(fā)表。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王太山教授為論文通訊作者。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助以及北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。

近年來(lái)，電子自旋因其獨(dú)特的量子特性在前沿科技領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，分子自旋體系因其可通過(guò)化學(xué)工程實(shí)現(xiàn)自旋活性材料制備、自旋調(diào)控、分子尺度自旋傳感與測(cè)量等特性而備受關(guān)注。

具有電子自旋特性的內(nèi)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(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。北京理工大學(xué)王太山課題組致力于基于內(nèi)嵌金屬富勒烯的分子自旋材料研究，在自旋性質(zhì)調(diào)控與感知功能方面取得了系列創(chuàng)新研究成果。其中，課題組開(kāi)發(fā)的金屬富勒烯Y2@C79N是具有獨(dú)特自旋性質(zhì)的分子，其電子自旋位于籠內(nèi)Y2團(tuán)簇上，具有特征的電子順磁共振（EPR）信號(hào)。課題組前期研究揭示了該分子碳籠的N雜區(qū)域與苯基具有π-π相互作用，并且自旋EPR信號(hào)可靈敏感知這種弱作用。因此，基于此特性進(jìn)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(jié)構(gòu)及自旋感知芳香族化合物取向示意圖

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，課題組研究人員將Y2@C79N分別溶解在兩種具有重要應(yīng)用價(jià)值的芳香族化合物中，包括廣泛應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池作為溶劑添加劑的1-氯萘，以及經(jīng)典的液晶材料5CB（4-氰基-4'-戊基聯(lián)苯），通過(guò)測(cè)量體系的變溫EPR信號(hào)，研究發(fā)現(xiàn)Y2@C79N的自旋EPR信號(hào)能夠反映芳香族化合物的結(jié)晶和相變過(guò)程。如圖1所示，Y2@C79N的傳感機(jī)制是氮雜富勒烯碳籠與芳香環(huán)化合物之間存在π-π相互作用，隨著化合物的結(jié)晶Y2@C79N也隨之取向，這種取向會(huì)顯著影響其EPR信號(hào)的特征。

材料的結(jié)晶和相變過(guò)程深刻影響其物理化學(xué)性質(zhì)及最終性能，尤其在有機(jī)電子器件和液晶顯示等依賴有機(jī)晶體材料的關(guān)鍵領(lǐng)域，因此，發(fā)展監(jiān)測(cè)這些微觀過(guò)程的新技術(shù)至關(guān)重要。本研究發(fā)現(xiàn)了金屬富勒烯自旋EPR信號(hào)對(duì)1-氯萘和5CB化合物結(jié)晶相變的靈敏響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在分子尺度上利用分子自旋感知芳香族化合物的結(jié)晶和相變過(guò)程，有望在有機(jī)晶體材料領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新性應(yīng)用。

論文詳情：Linshan Liu, Chong Zhao, Yingjian Zhang, Zhuxia Zhang, Chunru Wang, Taishan Wang*. Molecular spin sensor for in-situ monitoring of crystallization behavior and phase transition in aromatic materials, Nat. Commun., 2025, 16, 7170.

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62649-2

附作者簡(jiǎn)介：

王太山，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)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(fā)表研究論文60余篇。2019年獲評(píng)中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員，2020年獲國(guó)家基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助。曾獲中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)、徐元植順磁共振波譜學(xué)優(yōu)秀青年獎(jiǎng)等。