近日，中國科學技術大學楊上峰教授課題組成功地合成并分離表征了一種十余年來一直被認為因穩定性低而“不可被分離”的新結構內嵌富勒烯，這一發現彌補了內嵌富勒烯研究領域的一席空白，實驗上證明了分離出低穩定性的新結構富勒烯的可能性。該工作以“Capturing the Long-Sought Small-Bandgap Endohedral Fullerene Sc₃N@C₈₂ with Low Kinetic Stability”為題發表于最新一期的國際重要化學期刊《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3119?3123）。 

富勒烯結構中最為特殊的性質是其碳籠內部為空腔結構，因此可以在其內部空腔內嵌某些特殊物種（原子、離子或原子簇），由此而形成的富勒烯被稱為內嵌富勒烯（endohedral fullerene）。由于內嵌富勒烯內部所內嵌的物種可以轉移特定數目的電子到外部的碳籠上，內嵌富勒烯具有許多空心富勒烯所不具備的特殊物理和化學性質，從而成為碳材料領域的國際研究熱點。值得一提的是，1999年Nature期刊報道了一種新型內嵌富勒烯 — Sc₃N@C₈₀（稱之為內嵌金屬氮化物原子簇富勒烯），因其產率高于其他所有內嵌富勒烯從而掀起了內嵌富勒烯的研究熱潮。隨后人們對于基于其他稀土金屬的內嵌金屬氮化物原子簇富勒烯的研究表明一系列不同大小的碳籠均可以形成內嵌金屬氮化物原子簇富勒烯。然而，目前分離出的基于金屬鈧（Sc）的內嵌金屬氮化物原子簇富勒烯的碳籠均小于C₈₀，而僅比Sc₃N@C₈₀多兩個碳原子的Sc₃N@C₈₂雖然被數個研究組發現存在于混合物產物中，但經過分離后卻神秘地“消失”了。理論研究結果表明其帶隙太小導致動力學上不穩定從而“不可被分離”。因此，實驗上能否分離出Sc₃N@C₈₂成為十余年來一直困擾著富勒烯界的一大難題。 

該研究組基于前期在新結構內嵌富勒烯合成和分離方面的系列工作（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8196-8200；Chem. Commun. 2009, 6391-6393；J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5413-5421；Chem. Commun. 2011, 47, 11822-11839；Inorg. Chem. 2012, 51, 3039–3045；Sci. Rep. 2013, 3, 1487-1492；Inorg. Chem. 2014, 53, 5201-5205），通過改進電弧放電法所用到的電弧爐裝置，成功地提高了Sc₃N@C₈₂的產率，并利用多步高效液相色譜法成功分離了Sc₃N@C₈₂。進一步地，通過與廈門大學謝素原教授組合作，利用X射線單晶衍射法成功確定出其碳籠的分子結構為C_2v(39718)-C₈₂，這也是基于C₈₂碳籠的內嵌金屬氮化物原子簇富勒烯家族中一個全新的碳籠異構體結構。有意思的是，該異構體結構與理論計算所預測的結構并不一致，因此實驗上成功確定其分子結構對于澄清多年來對其結構的錯誤認識具有重要的意義。審稿人認為“This article reports a significant advance in endohedral fullerene chemistry”；“This work represents a significant advancement in the field of metallofullerene science… It is great work”。 （“文章在富勒烯化學上取得了重要的進展”；“這項工作標志著在金屬富勒烯科學領域取得了巨大的進展……這是一項很棒的工作?！保?/span>

中國科學技術大學化學與材料科學學院博士生衛濤為該論文的第一作者。該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。