氫元素是地球上最為豐富的元素之一，廣泛的存在于各種無機(jī)，有機(jī)以及生物材料。氫原子通常會(huì)形成氫鍵，從而對(duì)各種材料的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)以及其生物材料的活性產(chǎn)生影響。雖然，X射線衍射法能夠測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)，但是其缺乏準(zhǔn)確測(cè)量單電子原子-氫原子的能力。
為了解決這一問題，Sophia Hayes 課題組 (Washington University in St.Louis) 開發(fā)了一種新型的固體核磁晶體學(xué)。其主要原理是將固體核磁共振(Solid-State Nuclear Magnetic Resonance)與計(jì)算化學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，解決原子位置測(cè)定的問題。相比于傳統(tǒng)的X射線衍射法，固體核磁共振技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確的測(cè)定局部原子結(jié)構(gòu)。
Hayes課題組以CO2 固定的產(chǎn)物之一nesquehonite[MgCO3?3H2O]作為研究材料，一方面通過固體核磁技術(shù)精確的測(cè)量氫原子和碳原子之間的距離以及碳原子的靜態(tài)核磁譜圖。另一方面則通過密度泛函理論計(jì)算模擬篩選不同的晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)模擬其相對(duì)應(yīng)的固體核磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，精確地確定了氫原子位置。研究發(fā)現(xiàn)，包含范德華力的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)能夠顯著的提高密度泛函理論計(jì)算中氫鍵的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。研究還同時(shí)對(duì)比了新核磁晶體方法學(xué)與傳統(tǒng)中子衍射方法學(xué)的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，在兩種方法中氫原子的相對(duì)位置誤差范圍在0.025 ?。這項(xiàng)研究表明，固體核磁與泛函理論計(jì)算相結(jié)合能夠提供大范圍結(jié)構(gòu)篩選的可能。固體核磁晶體方法學(xué)不僅能夠應(yīng)用于氫原子，其還可廣泛應(yīng)用于很多不同的元素來研究不同的材料。例如金屬催化劑在多孔材料表面附著的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于中子衍射儀高昂的設(shè)備費(fèi)，核磁共振方法晶體學(xué)具有更加廣闊的應(yīng)用范圍以及可行性。 論文信息 Resolving the Chemical Formula of Nesquehonite via NMR Crystallography, DFT Computation, and Complementary Neutron Diffraction Dr. Jinlei Cui, Dr. Timothy R. Prisk, Dr. David L. Olmsted, Vicky Su, Prof. Mark Asta, Prof. Sophia E. Hayes Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202203052
