金属纳米团簇结构组成及演变基本规律的理论研究

To explore the fundamental principles of the structural formation and evolution of metal nanoclusters is one part of understanding of the formation of matter. However, whether the formation and growth of nanoclusters follows the chemical rules has not been unraveled yet. Recently, we proposed a universal model for liganded gold nanoclusters: With the ligands’ interaction, the gold atoms prefer to form some basic units with the closed-shell electronic structures. Then these basic units will aggregate and pack into diverse nanoclusters. This new discovery gives us a new perspective to explore and understand the structures of other metal nanoclusters. In this project, we will combine the basin-hopping global-minimum optimization, density functional theory and machine learning algorithm to develop a universal force field with quantum-precision and to construct a database for the metal nanoclusters. Then we will explore and elucidate the fundamental principles of formation of nanoclusters. Finally, we will incorporate with our multiscale structure reconstruction model to investigate the influence of complex environment for the morphologies, surface structures, optical properties, and catalytic activities. This project provides the foundation for the tune and design of the nanomaterials with the expected structures and properties for the “bottom-up” synthesis at nanoscale.

探索纳米团簇的结构及生长规律是探索物质组成基本规律的一部分。但是纳米尺度的团簇分子结构和生长是否遵循基本的化学规则至今并不清楚。我们在研究配体金纳米团簇时提出一个普适模型：金原子在配体作用下优先形成一些电子满壳层的基本单元，然后堆积组成结构各异的纳米团簇。这个发现为我们理解其他金属纳米团簇的基本结构组成和演变规律打开了新的思路。在本项目中，我们将结合basin-hopping全局寻优、密度泛函理论以及机器学习算法，在发展量子精度的普适分子力场和构建金属纳米团簇数据库的基础上，寻找和阐明金属纳米团簇结构组成及演变的基本规律。然后，我们将结合自主发展的多尺度理论模型，进一步研究其在复杂环境中的结构变化规律，及在此过程中金属团簇表面结构、光学性质、催化性能等的可能变化。本研究为有效调控及合成具有期望结构和性质的纳米材料，从而在纳米尺度上实现“自下而上”的智能制造提供理论基础。

探求金属纳米团簇结构组成及演变规律是理解其构-效关系的前提，也是精准调控其性能的关键。在本项目中，我们通过结合第一性原理计算、分子动力学模拟结合多尺度模型研究了金属团簇结构组成的基本规律，利用电子计数规则在分子尺度完整阐述了配体金团簇的内核结构及配体-内核相互作用，通过“自下而上”方法理论构建和预测了多个全新的配体金团簇结构，并部分得到了实验验证。通过本项目，我们共发表SCI论文40篇，影响因子大于10的论文14篇，包括Science, Nature Catalysis, Nature Communications, PRL, JACS, Angew Chem, Nano Letters等国际权威期刊。同时，我们自主开发了一个工况条件下金属纳米颗粒结构和形貌的多尺度理论模型，并通过比较大量实验结果其准确性。我们正在结合机器学习方法将该模型运用到配体金属团簇体系，为进一步发展在真实实验条件下（宏观时间、宏观空间、温度、气压、溶剂等）金属团簇的合成、成核生长全过程的理论框架奠定基础。