香港科技大学陈藤藤（中国科大09少校友）团队发现超稳定团簇分子，研究成果以《On the Remarkable Resistance to Oxidation by the Bi18⁻ Cluster》为题，发表在Science Advances。

团簇指由少数到上千个原子组成的聚集体，被视为物质从原子、分子尺度向宏观块体材料过渡的中间形态。探索团簇的稳定性，并发现新型分子材料，是团簇科学研究中的一个重要课题。理论化学家们通过研究金属团簇，提出了描述微观金属体系的Jellium自由电子模型，成为理解微观金属体系稳定性的基础理论。根据该模型，主族金属团簇中价电子总数为奇数的团簇通常表现出高化学活性，而价电子总数为偶数的团簇则更具稳定性。

铋元素（Bi）是一种独特的主族金属，具有最低的导电性和显著的反磁性。每个铋原子带有三个价电子，按照金属团簇模型，铋团簇的稳定性应表现出奇偶振荡特征，含有未配对电子的团簇应具有较高的化学活性。

为研究铋团簇的稳定性和反应性，同济大学邢小鹏教授课题组检测了铋元素阴离子团簇（Bin- (n=2-30)）与氧气分子（O₂）的反应性，观察到奇偶振荡的预期趋势，并发现了一个异常稳定的铋团簇分子——Bi18-。尽管Bi18-具有奇数价电子，它几乎不与氧气发生反应，表现出超乎寻常的稳定性。

接下来，美国布朗大学王来生教授和香港科技大学陈藤藤教授利用激光溅射磁瓶光电子能谱仪对Bi18-的电子结构进行了表征，德国卡尔斯鲁厄理工学院的Manfred M. Kappes教授和Detlef Schooss教授团队通过囚禁团簇离子电子衍射技术进一步研究了Bi18-的几何构型。在美国加州大学圣地亚哥分校李婉璐教授的理论计算合作下，Bi18-的几何结构、电子结构、价键特征和化学稳定性得到了深入分析。

研究表明，Bi18-团簇以及对应的中性Bi18团簇是由两个Bi8笼通过两个Bi原子连接而成的独特几何结构，每个Bi原子均处于饱和的三配位状态。此外，Bi18的HOMO-LUMO能级间隙达到了0.89电子伏，而Bi18-的最高能量电子处于高度离域的轨道。这些结构和电子特征完美解释了Bi18-及其中性形式Bi18的显著化学稳定性。Bi18的发现，使其成为继C60/70、Al13、Au20、B40之后又一个具备显著化学稳定性、并有望实现宏量制备的团簇分子。更令人期待的是，此前Bi固体或二维微观结构主要由三配位Bi原子堆积形成层状结构，而此次发现的小Bi笼连接构成的Bi18结构，预示了未来有可能基于Bi笼构建出独特的纳米结构及新的铋同素异形体，这些新结构或具备独特的电子和光学特性。

该研究成果以《On the Remarkable Resistance to Oxidation by the Bi18⁻ Cluster》为题，发表在Science Advances上，链接为：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads4724。同济大学化学系马骏博士、香港科技大学陈藤藤教授和加州大学圣地亚哥分校博士研究生Honglin Li为论文的共同第一作者。香港科技大学陈藤藤教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院纳米科技研究院的Detlef Schooss教授、加州大学圣地亚哥分校李婉璐教授、同济大学邢小鹏教授以及布朗大学王来生教授为论文的共同通讯作者。本研究由中国、美国、德国三国五方科学家共同合作完成，并得到了中国国家自然科学基金、香港研究资助局、德国政府研究基金及美国国家科学基金等项目的资助支持。