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近日，北京理工大學(xué)王太山課題組報道了利用基于金屬富勒烯的分子自旋傳感器來原位探測芳香族化合物結(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。此項研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的資助以及北京理工大學(xué)分析測試中心的支持。

近年來，電子自旋因其獨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化學(xué)工程實現(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，課題組開發(fā)的金屬富勒烯Y₂@C₇₉N是具有獨特自旋性質(zhì)的分子，其電子自旋位于籠內(nèi)Y₂團簇上，具有特征的電子順磁共振（EPR）信號。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信號可靈敏感知這種弱作用。因此，基于此特性進一步探索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

針對上述科學(xué)問題，課題組研究人員將Y₂@C₇₉N分別溶解在兩種具有重要應(yīng)用價值的芳香族化合物中，包括廣泛應(yīng)用于有機太陽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），通過測量體系的變溫EPR信號，研究發(fā)現(xiàn)Y₂@C₇₉N的自旋EPR信號能夠反映芳香族化合物的結(jié)晶和相變過程。如圖1所示，Y₂@C₇₉N的傳感機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，這種取向會顯著影響其EPR信號的特征。

材料的結(jié)晶和相變過程深刻影響其物理化學(xué)性質(zhì)及最終性能，尤其在有機電子器件和液晶顯示等依賴有機晶體材料的關(guān)鍵領(lǐng)域，因此，發(fā)展監(jiān)測這些微觀過程的新技術(shù)至關(guān)重要。本研究發(fā)現(xiàn)了金屬富勒烯自旋EPR信號對1-氯萘和5CB化合物結(jié)晶相變的靈敏響應(yīng)，實現(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)晶和相變過程，有望在有機晶體材料領(lǐng)域帶來創(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年獲評中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員，2020年獲國家基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助。曾獲中國科學(xué)院院長優(yōu)秀獎、徐元植順磁共振波譜學(xué)優(yōu)秀青年獎等。