近日，我所化学反应动力学全国重点实验室团簇光谱与动力学研究组（2506组）江凌研究员、李刚副研究员团队联合美国布朗大学王来生教授团队，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验站，发现中性氧化硼团簇（BO3、B2O4和B3O6）含有玻璃态二维网络的关键结构单元（BO、BO3和B2O5），为理解玻璃态物质的微观结构和生长机制提供了新思路。
氧化硼（B2O3）广泛应用于玻璃、光学材料和高能推进剂等诸多领域，在常压以玻璃态存在。虽然玻璃态B2O3模型被认为是由特定结构单元组成的二维网络，但其结构表征和生长机制仍不明确。研究氧化硼团簇结构的演化，对理解玻璃态物质的生长机制和成键特征具有重要意义。然而，与离子型氧化硼团簇相比，中性氧化硼团簇不带电荷，难于探测和质量选择，实验研究更具挑战性。因此，实现中性氧化硼团簇的精准光谱表征是研究人员长期以来的目标之一。
为实现对中性团簇的精准探测和结构解析，江凌和李刚团队自主开发了基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验站（Rev. Sci. Instrum.，2020），实现了质量选择中性团簇的高灵敏谱学探测、结构表征和反应性能研究。结合大连相干光源和桌面极紫外光源，该实验站已被用于水团簇（Proc. Natl. Acad. Sci.，2020；Nat. Commun.，2020；Cell Rep. Phys. Sci.，2022；J. Chem. Phys.，2023；J. Phys. Chem. Lett.，2024；Nat. Commun.，2025）、金属—水团簇（J. Phys. Chem. Lett.，2023；J. Chem. Phys.，2025；J. Am. Chem. Soc.，2026）、硼团簇（Angew. Chem. Int. Ed.，2025）等体系的中性团簇光谱研究。
在本工作中，科研人员利用基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验站，测定了一系列中性氧化硼团簇（BO3、B2O4和B3O6）的尺寸选择红外光谱。团队将实验光谱与量子化学理论计算相结合发现，BO3、B2O4和B3O6团簇均具有平面结构，分别由BO、BO3和B2O5基团组成，而这些基团正是构成玻璃态二维网络的关键结构单元。化学键分析表明，这些团簇平面结构的高度稳定性源于端基B≡O和B–O σ键之间的协同作用。该工作不仅为体相材料的关键结构单元提供了光谱特征，也为系统研究氧化硼材料的逐步形成和生长机制提供了新策略。
相关研究成果以“Spectral Signatures of Neutral Boron Oxide Clusters Containing Key Structural Units of the Vitreous State”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的共同第一作者是我所2506组博士研究生黎尚东和江帅。该工作得到国家自然科学基金、科技部科技创新2030重大项目、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”等项目的资助。（文/图 黎尚东、江帅）
