导读
由⾹港⼤学理学院化学研究部及化学系支志明教授及杨军博士率领的研究团队，破解了一个困扰无机化学界多年的难题—闭壳层金属-金属之间的相互作用。该研究成果现已在期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表。
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金属-金属闭壳相互作用（又称嗜金属相互作用），在多个化学领域如超分子化学和有机金属化学等均具有巨大的影响。关于嗜金属相互作用的研究可追溯至1970年代的文献，许多世界知名的理论化学家都曾在该领域作出贡献，包括Roald Hoffmann教授（1981年诺贝尔化学奖得主）及Pekka Pyykkӧ 教授等。嗜金属相互作用在过渡金属配合物的自组装过程中相当重要，其在有机半导体、生物传感和功能性光电材料中有着广泛的应用。
挑战传统观念的发现
嗜金属相互作用的理论源于欧洲，早被化学家广泛用作分子设计的指导原则，以及对过渡金属配合物光谱性质作出理论化的解释。到目前为止，学术界对嗜金属作用的普遍共识是「相互吸引的」，其作用原理被认为是由轨道杂化或重金属原子（如金或铂）的相对论效应所导致。支志明教授、杨军博士率领的研究团队挑战了配位化学家的传统观点，他们发现金属-金属之间具有强烈的泡利排斥（MM' Pauli repulsion）作用，导致嗜金属作用在本质上互相排斥，而非传统认为的互相吸引。他们对嗜金属性进行了理论和实验相结合的研究，并观察到具有闭壳电子构型的有机金属配合物中，有着很强的金属-金属泡利排斥作用。这项发现对于闭壳层金属配合物相关的研究具有长远的影响，并为制造可替代贵重金属的新型超分子材料（例如钯、银或镍的过渡金属配合物）提供理论支持，这也是一项让化学研究人员更加了解分子间弱相互作用（weak intermolecular interactions）的重要成就。
研究背景与主要发现
微观世界中包含多种不同的相互作用，而嗜金属作用向来用作解释金属原子之间的闭壳电子层里存在的相互作用。早在1970年代初期，化学家观察到一个有趣的现象，即两个闭壳金属原子之间会形成较短的金属-金属距离。有无机化学家提出：在两个金属原子之间存在一种特殊的「吸引力」，从而令两个金属原子相互接近。许多理论化学家亦提出了各式各样的理论模型来解释这现象，例如推论此现象是由轨道杂化模型或重金属的相对论效应等导致。可是，这些理论模型长期以来都与一些实验观察结果互相违背，例如在晶体结构中，金-金之间的距离比银-银之间的距离要长。这些问题无法用现有的理论模型来解释，因而一直是无机和理论化学界的悬题。
支教授和杨博士所率领的研究团队，运用了精密的计算方法和实验技术来解开这个难题，引证了金属-金属之间强烈的泡利排斥作用导致嗜金属具排斥性。据保守估计，至今已有超过5千多篇论文进行过和「嗜金属相互作用」相关的研究，而学术界对此现象的普遍共识皆是「具吸引力的」。研究团队在PNAS期刊中首次提出：「嗜金属相互作用」其实是具有相互排斥性，而轨道杂化和相对论效应会增强金属-金属之间的泡利排斥作用，而分子间的色散力和静电相互作用将抵消金属与金属之间的排斥力，从而导致金属与金属之间相互接近，这正好解释为何银-银之间的距离比金-金之间的距离要短。这项研究亦获得沃尔夫化学奖（化学界最高荣誉奖项之一）2004年得奖人、加州理工大学Harry Gray教授的高度评价和推崇。
关于研究团队
这项研究由化学研究部及化学系支志明教授和杨军博士所率领的团队完成。万晴云博士是第一作者，她与杨博士和支教授皆为共同通讯作者。支教授团队的研究助理教授杜伟邦博士亦有份参与研究。研究得到香港研究资助局、香港大学合成化学国家重点实验室，以及港大资讯科技服务的支持。团队亦感谢深圳市基础研究计划和广东省基础研究与应用研究重大计划的支持。
关于支志明教授
支志明教授，1982年师承潘宗光教授，于港大化学系获得博士学位。1980年到1983年间，他在加利福尼亚理工Harry B Gray教授的研究室从事博士后研究工作。其后，他回到港大回馈母校，并于1992年晋升为化学系讲座教授。支教授于1999年及2016年，分别被任命为许慧娴化学讲座教授及周光召自然科学教授。
多年来支教授获得了许多奖项及殊荣。在38岁的时候，他当选为中国科学院院士，成为第一个获得此荣誉的香港科学家，也是当时最年轻的中国科学院院士。2007年获得中国国家自然科学奖一等奖，2013年当选为美国国家科学院外籍院士，2016年获得由亚洲化学学会颁发的Ryoji Noyori ACES奖，同年获得中国化学会黄耀曾金属有机化学终身成就奖。他的研究兴趣包括无机和有机合成、金属-配体多重键的反应活性、金属有机催化、有机金属配合物的光化学和光物理、发光材料以及无机药物化学。自2016年以来，他一直担任香港大学化学系主任，他在国际化学期刊上发表近1000篇论文，现时他的H指数为120。有关支教授及其研究团队更多资料，请浏览以下网址：https://cmche-hku.weebly.com/prof-cm-che.html
关于杨军博士
杨军博士，港大化学系助理教授，主要从事量子化学理论、算法和应用研究，研究方向包括发展复杂体系波函数电子相关理论、分子激发态计算方法及应用、电子-振动耦合方案、OLED能源材料的理论研究等。理论化学博士师从德国科隆大学Michael Dolg教授，2009年起在康奈尔大学和普林斯顿大学Garnet Chan教授课题组从事博士后工作，期间于第50届美国Sanibel Symposium会议上获理论化学IBM-Löwdin奖， 2013-16担任普林斯顿大学化学系物理化学课程讲师，2016年起任职港大化学系助理教授。获得香港研资局杰出青年学者奖，并主持两项香港研资局优配研究金计划，参与香港创新局AIR@InnoHK人工智能项目等。至今研究工作发表在Science、PNAS、Angew. Chem.、JACS和Chem. Sci.等知名期刊，以及JCTC和JCP等理论化学顶刊。有关杨博士及其研究团队更多资料：https://www.junyanglab.com
关于万晴云博士
万晴云博士于2014年在中国科学技术大学获得材料物理学学士学位，并在中科院理化技术研究所的吴骊珠教授和佟振合教授的指导下完成了本科毕业设计。2014年，她加入支志明教授的团队修读化学博士学位，并于2019年毕业。2018年，她前往麻省理工大学进行了半年的交流学习，师从Christopher C Cummins教授。她的研究兴趣包括基于有机金属配合物的超分子材料的合成和应用，以及计算化学。万博士已发表了16篇经同行评审的文章，包括了5篇第一作者或通讯作者的论文：Chem（1），JACS（1），ACIE（2），PNAS（1）。
有关是次于PNAS刊登的研究论文请见：https://www.pnas.org/content/118/1/e2019265118.short