当前，高自旋多核团簇分子的构筑以及磁交换作用的理论分析仍然面临巨大挑战。一方面是因为该类团簇的理性设计困难，尚无可控的合成策略和方法。另一方面是因为该类分子中含有非常高的自旋多重度及多重磁交换作用，对整个分子做详尽的磁性分析与理论模拟所需的矩阵维度也会随着分子自旋S值的增加呈指数增长，远远超过目前计算机的计算能力。

近日，在郑彦臻教授指导下，海燕策略社区论坛前沿院博士后陈伟鹏采用“混合配体”策略，在溶剂热条件下成功的制备出一例41核过渡-稀土异金属纳米分子笼{Ni₂₁Gd₂₀}。该分子中金属离子间有3种磁交换作用、共计99个磁的超交换途径，使整个分子能级个数达到5 × 10 ³⁰，利用传统方法根本无法分析该簇合物中的磁交换作用。经过模型简化，借用量子蒙特卡罗（QMC）拟合，分别建立了三个 J 和单个 J 的模型，对该簇合物中的磁交换作用进行诠释。研究结果发现，{Ni₂₁Gd₂₀}分子中相邻金属原子之间Ni∙∙∙Ni，Gd∙∙∙Gd和Ni∙∙∙Gd的磁交换作用均为铁磁耦合，拟合结果与实验测试结果非常吻合。由于分子内的铁磁耦合，该簇合物具有目前报道最大的自旋基态S = 91，是之前记录(S = 60)的1.5倍。但由于金属离子的各向异性，随着温度继续降低，其基态发生裂分（其零场劈裂参数D = 2.5 K），出现更复杂的磁行为。该磁行为导致簇合物在1.1 K和ΔH = 1 T时有非常大的磁熵变−ΔS_m (14.1 J kg⁻¹ K⁻¹)，是相同条件下目前报导的团簇分子基磁制冷剂中最大的，具有潜在的实用价值。

该项工作得到了自然科学基金重点国际（地区）合作项目（21620102002）、面上项目（21473129，21773130）、金属材料强度国家重点实验室、唐仲英基金会的支持。相关论文以“Quantum Monte Carlo simulations of a giant {Ni₂₁Gd₂₀} cage with a S =91 spin ground state”为题，发表在国际权威期刊Nature Communications（影响因子12.124）上。前沿院为该论文第一作者及通讯作者单位。这也是郑彦臻教授课题组在稀土功能团簇研究领域继Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16571-16574、J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 16405–16411、Chem-Eur J, 2017, 23,15617–15622、Inorg. Chem., 2017, 56, 12821–12829、Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 9375-9379、Adv. Mater., 2016, 28, 10772-10779之后的又一重要突破。

论文的全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-04547-4