氢同位素氧化物内嵌富勒烯的结构与性质研究

Isotopic hydrogen oxides play important roles on nuclear power source, biomedical science and molecular engineering. The structure of single isotopic hydrogen oxides molecule is important not only for understanding the behavior of hydrogen isotope oxides clusters, but also for the separation of isotopic hydrogen oxides. However, it is hard to obtain single isotopic hydrogen oxide molecule as the strong hydrogen bond interaction among the molecules. Thus this project aims to capsulate a single isotopic hydrogen oxide molecule by using C60 fullerene as molecular container. The single molecule encapsulation complex could be prepared through molecular surgery. NMR spectroscopy, far-infrared spectroscopy, Raman spectroscopy and other measurements were employed to investigate the structure and properties of the encapsulated isotopic hydrogen oxide molecule. The study also focuses on the structure and properties of endofullerene complex, especially the structure and properties of the possible products induced by the decay of radioactive hydrogen isotope.

氢同位素氧化物在核能源、生物医学、分子工程等领域发挥了重要作用。研究单分子氢同位素氧化物的结构，对实现氢同位素氧化物的分离和研究液态氢同位素氧化物团簇行为具有重要意义。然而因氢键的存在，单分子氢氧化物的获得存在困难。本项目提出了以空腔大小恰好能容纳单分子水的C60为分子容器来捕获单分子氢同位素氧化物的研究思路。拟通过分子手术制备内嵌有氢同位素氧化物的C60，通过核磁共振、红外光谱、拉曼光谱等表征手段获得单分子氢同位素氧化物的结构信息。项目还将研究内嵌氢同位素氧化物的C60理化性质，特别是内嵌于的C60空腔中的放射性氢同位素氧化物衰变可能形成的一系列新物种的结构与性质。

通过分子手术的方法，向C60空腔中分别部分装入H2O，D2O以及HDO等数种氢同位素氧化物饼制得了相应的内嵌富勒烯氢同位素氧化物富勒烯物种。利用高效液相色谱对上述混合物分离可得到纯的内包氢同位素氧化物的C60。对上述内嵌氢同位素氧化物的C60进行了核磁共振、XRD等表征。我们进一步研究了内嵌氢同位素氧化物的超导性质。通过磁化率测量证明K3(H2O@C60)是一种新的超导体，其超导转变温度19.9 K, 高于K3C60。通过Raman光谱，XRD以及对该超导体进行研究，结果表明，K3(H2O@C60)与K3C60的电子转移情况和晶体结构几乎完全相同，固体核磁进一步证明了内嵌水分子的存在。 研究中，K3(H2O@C60)可被证明是一种新的超导体。如果将 H2O@C60作为整体考虑，同位素效应将是超导转变温度降低，超导转变温度提高的现象可以通过Ashcroft的理论解释，他认为氢具有较高的震动频率和强电声子相互作用，因此，增加氢的数目有利于提高超导转变温度。最近，高压制备的临界物种H3S表现出200 K以上的超导转变温度，为该理论提供了重要的实验依据。然而常压下增加超导体中的氢提高超导转变温度的例子鲜有报道。我们的实验证明，在C60中装入氢同位素氧化物形成稳定的内嵌氢同位素氧化物C60物种，该物种可以制备新型超导体。进一步证明常压下增加氢原子数目，可以提高超导体的超导转变温度。