由于天然原子种类有限，并且制备的纳米颗粒具有低尺寸的多分散性，因此通过改变石墨烯的层间距在原子水平上调整其有趣的财产仍然是一个挑战。在这里，我们证明了超级原子可以通过在石墨烯层之间提供可调节和稳定的插层单元来弥补缺陷，从而有效控制层间距离。我们的计算表明，对于嵌入石墨烯夹层之间的Au20超级原子，随着其密度从2.1×10-3增加到4.0×10-3超级原子/Å2，石墨烯夹层间距从9.3增加到11.4Å。Au20保持与石墨烯层处于分散相互作用主导的物理吸附状态，直到密度降低到1.6×10–3超级原子/Å2，之后石墨烯可以粉碎Au20，从而形成具有变形Au20的化学吸附的石墨烯结构。这项工作表明，超原子在膜分离应用中具有重要的前景。
图1. 石墨烯–Au20–石墨烯（GAG）系统的结构和能级。（a） 左侧显示了GAG周期系统的结构；右侧显示了不同面密度的结构（4.0×10-3、2.8×10-3，2.1×10-3和1.6×10-3超原子/Å2）。它们分别由结构I、II、III和IV标记。石墨烯层的间距是中间最高层和边缘最低层的平均值。（b） 四种GAG结构的能级和分子轨道（MO）。等值面为0.006。
图2:GAG系统的相互作用能量分析（Eint）和能量分解分析（EDA）。（GAG结构由两个不同形式的碎片组成。一个是G（AG），底部石墨烯包含Au20碎片和上部石墨烯碎片，另一个是（GA）G，其中上部石墨烯包含Au20碎片和下部石墨烯碎片）。
图3. GAG结构的状态密度（DOS）和MO（黑色实线：DOS；红线：石墨烯碎片（G）A（G）的部分状态密度（PDOS）；绿线：上部石墨烯碎片（G）AG的PDOS；黄线：下部石墨烯碎片GA（G）的PDOS；蓝线：Au20超原子碎片的PDOS）。垂直线是相应结构的HOMO和LUMO。等值面为0.004。
相关研究成果由香港城市大学Rui-Qin Zhang和吉林大学Yan Xue、Zhigang Wang等人2023年发表在The Journal of Physical Chemistry C (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c08437)上。原文：Modulation of Graphene Interlayer Spacing by Superatoms。