硼酸鹽（Borates）結構類型豐富，具有寬的透光范圍、高的光損傷閾值、較好的熱穩定性和化學穩定性等一系列優良的物理化學性能，在非線性光學材料、熒光材料、激光晶體材料等領域有著廣泛而重要的應用。近50年來，人們已經發現了數以千計的新型硼酸鹽晶體，使其成為探索新型功能晶體的熱點領域之一。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）陳小龍研究員及其領導的功能晶體研究與應用中心在該領域進行了長期系統的研究工作，發現了一系列新型硼酸鹽功能晶體材料：如YBa3B9O18是優良的薄片激光器基質材料，并且在很高的稀土離子濃度下也不會發生濃度淬滅；（K1-xNax）2Al2B2O7（0≤x<0.6）和MM''4（BO3）3（M=Na, M''=Ca, M=K, M''=Ca, Sr）等是優良的非線性光學材料，并且能夠生長出高質量的晶體；LiSr4B3O9則具有硼酸鹽中很罕見的立方晶胞和高對稱性。相關結果分別發表在《有機化學》（Inorganic Chemistry ，43，8555，2004；44，6409，2005；，45，3042，2006）和《材料化學》（Chemistry of Materials ，7，2193，2005）上。
基于已發現的大量硼酸鹽化合物，晶體學研究者概括出了如下幾條規律作為硼酸鹽結構化學的基礎：1，硼原子與氧原子結合有BO3和BO4兩種構型；2，BO3和BO4基團只能共頂點連接；3，共頂點連接的BO3和BO4基團構成陰離子基團。其中，B-O基團間的共頂點連接是Pauli第三和第四規則的直接推論。近期，德國科學家Huppertz等人在高壓條件下獲得了具有共邊連接（Edge-sharing）構型的硼酸鹽晶體（J. Am. Chem. Soc 124，9376，2002），但得到的晶體在常壓下是非穩相，因而共邊連接只被視為極端條件下對硼酸鹽結構化學的擴充。而在最新研究中，金士鋒、陳小龍等首次在常壓下制備出了具有穩定Edge-sharing構型的硼酸鹽晶體KZnB3O6，從而擴展了人們對硼酸鹽結構化學一條主要規律的認識：由共邊連接的BO4基團構成的晶體在能量上可以是更為有利的。
圖1.KZnB3O6的晶體結構和硼氧基團配位環境的示意圖（左）以及該晶體的熱穩定性（右）
圖1給出了KZnB3O6的晶體結構，其中藍色的配位多面體是由兩個共邊連接的BO4基團和四個共頂點連接的BO3基團共同構成的（圖1c）。對比高壓下獲得的NiB2O4、FeB2O4和R4B6O15（R=稀土）等晶體，KZnB3O6中BO4基團的B-O鍵長和鍵角與這些化合物具有高度的一致性，明顯偏離共頂點連接的BO4基團。按照傳統觀點，由B、P、Si等元素與O形成的四配位多面體，當它們以共邊形式連接時，在能量上將非常不利，致使其結構很不穩定。差分電荷密度（DED）計算也發現，KZnB3O6共邊區域的成鍵強度明顯弱于其它區域。但研究發現，KZnB3O6晶體的結構卻可以穩定的保持到熔點，而且在低溫下（30K）也沒有結構轉變的跡象（圖2），這表明它是首個常壓下具有共邊連接構型的穩定相。
圖2.普通構型的KZnB3O6晶體不能穩定存在的理論解釋
進一步的理論計算證實了在該化合物中，共邊連接構型比共頂點構型在能量上更為有利（圖2），從而解釋了其獨特結構的成因。此外，該晶體中的堿金屬離子在很大程度上可以被Li離子置換，而不會破壞其晶體結構，顯示出其共邊連接的結構骨架具有較強的穩定性。該研究結果發表在近期的《應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. ）上。
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