第一作者：刘泽宇
通讯作者：杨志林，骆耿耿，孙頔
通讯单位：厦门大学，华侨大学，山东大学
论文DOI：10.1039/D5CS00383K
原子级精度金属纳米团簇凭借独特的电子结构与优异的近红外光致发光性能，在生物医学成像（如深层组织荧光成像）、光电器件（如近红外探测器、发光二极管）及能量转换等前沿领域展现出不可替代的应用价值，已成为全球纳米材料与化学交叉领域的研究热点。其中，近红外光致发光量子产率的提升、激发态及发光机制的明晰，是实现这类材料从实验室研究走向产业化应用的核心瓶颈。近日，厦门大学杨志林教授、华侨大学骆耿耿教授、山东大学孙頔教授领衔的三校联合科研团队，在国际化学领域顶级综述期刊《Chemical Society Reviews》（英国皇家化学会出版，2023年影响因子40.4，2年影响因子54.6）发表重磅综述，以超快光谱技术为核心分析手段，系统梳理并总结了原子级精确近红外发光金属纳米团簇激发态动力学与光致发光机制的最新研究进展，为该领域的理论深化与技术突破提供了关键指引（图1）。
与以往综述对金属纳米团簇性质的泛化性概述不同，该综述聚焦分子振动特征与电子结构调控两大核心内在因素，精准切入近红外发光性能的本质调控规律。为破解团簇激发态微观机制的研究难题，团队创新性构建了“时间分辨光谱实验+含时密度泛函理论（TD-DFT）计算”的协同研究框架：时间分辨光谱技术（含飞秒/纳秒瞬态吸收、时间分辨荧光光谱）凭借飞秒级时间分辨率，可实时追踪团簇激发态粒子数布居、能量转移及弛豫过程；TD-DFT 计算则从量子力学层面解析团簇电子轨道分布、能级跃迁规律及结构-性能关联。二者的深度融合，实现了对金属纳米团簇激发态行为从“宏观现象观测”到“微观机制解析”的跨越，为揭示其光物理本质奠定了坚实基础。
在具体研究内容层面，综述系统阐释了时间分辨光谱与TD-DFT计算的协同应用逻辑，明确了该技术组合在探测团簇弛豫动力学、光物理行为及电子结构中的核心作用（图2）。尤为关键的是，研究团队通过该框架发现：超快泵浦脉冲可诱导团簇在激发态或基态势能面上产生波包运动，进而引发相干振荡（即声子动力学过程），这种振荡在瞬态吸收光谱中呈现特征性信号，其强度与频率直接关联电子-声子耦合效率，是调控团簇光学跃迁速率与发光效率的关键靶点。同时，综述还针对性提出近红外光致发光量子产率的优化策略体系，通过配体刚性化抑制分子内振动弛豫、金属掺杂重构电子能级结构、核工程调节内核原子排列、诱导结构转变优化分子堆积模式等手段，可有效阻断激发态非辐射衰变路径，实现近红外发光性能的定向调控。
在未来展望部分，团队客观剖析了当前研究面临的核心挑战：一方面，金属纳米团簇中原子排列与表面配体构型的动态波动性，显著增加了构-效关系的定量研究难度；同步多光谱联用技术对实验设备精度与环境控制的严苛要求，也制约了光物理中间体的高效表征。另一方面，材料应用层面仍存在瓶颈—金/银纳米团簇合成与应用成本较高，铜纳米团簇虽具备成本优势，但易氧化导致的空气稳定性差、发光量子产率偏低等问题尚未解决。对此，团队指出，未来研究需重点突破新型功能性配体设计、高效掺杂策略优化、精准结构调控方法创新三大方向，尤其需聚焦低成本、高稳定性、高发光效率铜纳米团簇体系的开发。
该综述不仅系统整合了近年来原子级精确近红外发光金属纳米团簇的研究成果，更通过构建“实验-理论”协同研究范式，为后续激发态动力学研究提供了可借鉴的方法论，对推动这类材料在生物成像、光电子器件、能量转换等领域的应用落地具有重要指导意义。
图1 币金属纳米团簇近红外发光关键进展时间轴（2017-2025年）。图中展示了具有代表性的原子级精确币金属纳米团簇结构，并标注了发射波长、光致发光量子产率和主要发光机制。该时间轴系统总结了金属组成、配体环境和纳米团簇结构的变化如何调节发光路径和效率。
图2 金属纳米团簇激发态动力学、光致发光增强机制及光学性质调控策略示意图概览。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/cs/d5cs00383k
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