Synergistic Regulation of Size and Structure on the Metallicity Evolution of Gold Nanoclusters

doi:10.7503/cjcu20260067

Abstract

Abstract:

Gold nanoclusters（Au NCs） feature atomically precise structures with core sizes ranging from 1 to 3 nm， serving as a unique system that bridges organometallic molecules and conventional gold nanoparticles； combining molecular-like properties with the advantages of nanomaterials， their transition from a molecular state to a metallic state is one of the core issues in the field of nanoscience. As large-sized gold nanoclusters（containing >100 gold atoms） increase in size， their energy levels gradually shift from discrete to continuous， exhibiting metallic properties. However， this transition is not solely determined by size， and a critical size regime exists. Within this critical size regime， the clusters exhibit dual molecular and metallic properties， which are synergistically regulated by multiple factors including crystal structure and geometric morphology， and this phenomenon has been extensively and intensively investigated. This review summarizes the research progress on the metallicity evolution of large-sized gold nanoclusters， outlines the structure-activity relationships among size， structure， and metallicity for non-metallic， metallic， and critical-regime clusters， and clarifies the determination criteria and key research techniques for metallicity. Finally， the future challenges and development directions in this field are discussed.

Key words: Gold nanoclusters, Metallicity, Size evolution, Femtosecond transient absorption spectroscopy

CLC Number:

O641

TrendMD:

FENG Jingqi, FAN Chunhai, CHEN Jing. Synergistic Regulation of Size and Structure on the Metallicity Evolution of Gold Nanoclusters[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(10): 20260067.

Figures/Tables 16

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Au NCs	Core structure	Metallicity	Determination criteria	Research methods	Ref.
Au₁₀₂	Marks decahedron	No	Exhibits multiple characteristic absorption peaks	Single⁃crystal X⁃ray diffraction（SC⁃XRD）， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and theoretical calculation	［34—36］
Au₁₁₀	Face centered cubic（fcc）	No	Electron⁃phonon coupling is power⁃law dependent； no surface plasmon resonance absorption	SC⁃XRD and femtosecond absorption spectroscopy	［37，38］
Au₁₃₀	Truncated decahedron	No	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； electron⁃phonon coupling is power⁃law dependent	SC⁃XRD， scanning/transmission electron microscopy（STEM）， UV⁃Vis⁃NIR absorp⁃tion spectroscopy， femtosecond absorption spectroscopy， and electrochemical characterization	［39—43］
Au₁₃₃	Icosahedron	No	Electron⁃phonon coupling is independent of power law	SC⁃XRD， high resolution electrospray ionization mass spectrometry（ESI⁃MS）， femtosecond absorption spectroscopy， and electrochemical characterization	［44，45］
Au₁₄₄	Cage⁃like hollow icosahedron	Critical（dual characteristics）	Electron⁃phonon coupling shows weak power⁃law dependence； multiple characteristic absorption peaks for charge carriers	SC⁃XRD， ESI⁃MS， femtosecond absorption spectroscopy， and electrochemical characterization	［46，47］
Au₁₅₆	Rod⁃like core with homologous structure（long⁃axis short⁃axis Anisotropy）	Critical	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； long⁃axis electron⁃phonon coupling is power⁃law dependent； short⁃axis shows distinct characteristics	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and femtosecond absorption spectroscopy	［48］
Au₁₉₁	Monotwinned/ stacking⁃faulted fcc structure	Critical	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； weak electron⁃phonon coupling； no plasmon resonance after ligand removal	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and theoretical calculation	［49］
Au₂₄₆	Multiple⁃twin fivefold symmetry	No	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； electron⁃phonon coupling is independent of power law	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and femtosecond absorption spectroscopy	［50，51］
Au₂₇₉	Truncated octahedron （similar to fcc arrangement）	Yes	Ground⁃state absorption shows a single broad peak； no discrete peaks in the fluorescence spectrum； electron⁃ phonon coupling is independent of power law	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， variable⁃temperature spectroscopy， and femtosecond absorption spectroscopy	［52，53］
Au₃₁₇	fcc	Yes	Absorption spectrum shows a single broad peak； non⁃continuous electron state distribution near the Fermi level	Theoretical calculation	［54］
Au₃₃₃	fcc	Yes	Absorption spectrum shows a single broad peak； prominent plasmon peak in the fluorescence spectrum； electron⁃phonon coupling is independent of power law	High⁃angle annular dark⁃field STEM（HAADF⁃STEM）， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， femtosecond absorption spectroscopy， and variable⁃temperature spectroscopy	［55］
Au_~520	fcc	Yes	Exhibits strong localized surface plasmon resonance； electronic structure is continuous	Mass spectrometry and HAADF⁃STEM	［56］
Au_~1000	fcc	Yes	Significant surface plasmon resonance absorption	High⁃resolution transmission electron microscopy（HRTEM） and XRD	［57］

Au NCs	Core structure	Metallicity	Determination criteria	Research methods	Ref.
Au₁₀₂	Marks decahedron	No	Exhibits multiple characteristic absorption peaks	Single⁃crystal X⁃ray diffraction（SC⁃XRD）， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and theoretical calculation	［34—36］
Au₁₁₀	Face centered cubic（fcc）	No	Electron⁃phonon coupling is power⁃law dependent； no surface plasmon resonance absorption	SC⁃XRD and femtosecond absorption spectroscopy	［37，38］
Au₁₃₀	Truncated decahedron	No	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； electron⁃phonon coupling is power⁃law dependent	SC⁃XRD， scanning/transmission electron microscopy（STEM）， UV⁃Vis⁃NIR absorp⁃tion spectroscopy， femtosecond absorption spectroscopy， and electrochemical characterization	［39—43］
Au₁₃₃	Icosahedron	No	Electron⁃phonon coupling is independent of power law	SC⁃XRD， high resolution electrospray ionization mass spectrometry（ESI⁃MS）， femtosecond absorption spectroscopy， and electrochemical characterization	［44，45］
Au₁₄₄	Cage⁃like hollow icosahedron	Critical（dual characteristics）	Electron⁃phonon coupling shows weak power⁃law dependence； multiple characteristic absorption peaks for charge carriers	SC⁃XRD， ESI⁃MS， femtosecond absorption spectroscopy， and electrochemical characterization	［46，47］
Au₁₅₆	Rod⁃like core with homologous structure（long⁃axis short⁃axis Anisotropy）	Critical	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； long⁃axis electron⁃phonon coupling is power⁃law dependent； short⁃axis shows distinct characteristics	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and femtosecond absorption spectroscopy	［48］
Au₁₉₁	Monotwinned/ stacking⁃faulted fcc structure	Critical	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； weak electron⁃phonon coupling； no plasmon resonance after ligand removal	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and theoretical calculation	［49］
Au₂₄₆	Multiple⁃twin fivefold symmetry	No	Exhibits multiple characteristic absorption peaks； electron⁃phonon coupling is independent of power law	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， and femtosecond absorption spectroscopy	［50，51］
Au₂₇₉	Truncated octahedron （similar to fcc arrangement）	Yes	Ground⁃state absorption shows a single broad peak； no discrete peaks in the fluorescence spectrum； electron⁃ phonon coupling is independent of power law	SC⁃XRD， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， variable⁃temperature spectroscopy， and femtosecond absorption spectroscopy	［52，53］
Au₃₁₇	fcc	Yes	Absorption spectrum shows a single broad peak； non⁃continuous electron state distribution near the Fermi level	Theoretical calculation	［54］
Au₃₃₃	fcc	Yes	Absorption spectrum shows a single broad peak； prominent plasmon peak in the fluorescence spectrum； electron⁃phonon coupling is independent of power law	High⁃angle annular dark⁃field STEM（HAADF⁃STEM）， UV⁃Vis⁃NIR absorption spectroscopy， femtosecond absorption spectroscopy， and variable⁃temperature spectroscopy	［55］
Au_~520	fcc	Yes	Exhibits strong localized surface plasmon resonance； electronic structure is continuous	Mass spectrometry and HAADF⁃STEM	［56］
Au_~1000	fcc	Yes	Significant surface plasmon resonance absorption	High⁃resolution transmission electron microscopy（HRTEM） and XRD	［57］