《自然-化學》發表北大江穎課題組最新研究成果

2012/11/12 信息來源： 量子材料科學中心

可控的對分子內部的化學鍵進行選擇性操縱是科學家們一直以來所追求的目標。經過近二十年的努力，人們利用雷射和掃描隧道顯微鏡，成功的對一些簡單分子實現了選鍵操縱，比如：甲烷、氧分子、一氧化碳、乙炔、苯分子等，從而調控和這些分子相關的化學反應。近年來，隨著分子納米科技（包括：分子電子學、分子傳感器、納米機器等）的迅速發展，如何在一個複雜功能化分子中實現化學鍵的選擇性操控變得愈加重要。然而，由於分子內部自由度的複雜化以及能量在分子內部的重新分配，在複雜功能化分子中實現化學鍵的精確控制非常具有挑戰性。

最近，北京大學量子材料中心江穎研究組與中科院物理研究所的郇慶副研究員、美國加州大學歐文分校的Wilson Ho教授以及加州大學聖塔芭芭拉分校的Guillermo C. Bazan教授合作，利用自製的低溫掃描隧道顯微鏡，成功的對一種廣泛應用於分子電子學研究的巰基π-共軛分子 (1,4-bis[4』-(acetylthio)styryl]benzene) 實現了化學鍵的選擇性操縱。通過向分子內部注入空間局域、能量可調的隧道電子，利用共振電子激發技術，他們可以分步把分子中四個不同的官能團逐個剝離，同時在能量空間和實空間中監測每一個化學鍵的斷裂對分子電子結構的影響。基於可控的斷鍵，他們進一步利用掃描隧道顯微鏡的原子操縱技術，精確的操控表面上的金原子，使其與分子中的硫原子結合併形成化學鍵，從而人為構造出了一個「電極-分子-電極」的單分子結。他們發現，Au-S鍵的空間構型和分子的對稱性共同決定了成鍵的類型：共價鍵或者配位鍵；同時，Au-S相互作用是非局域的，其對整個分子的電子結構有著很大的影響，表現為分子共振態的展寬和能級的移動。這些結果將有助于澄清單分子電輸運研究中理論和實驗長期以來的分歧。

該工作展示了在複雜大分子中實現選鍵操控的可能性，同時也在單分子水平上揭示了分子的電子結構在化學反應過程中的演化。相關結果以article的形式發表在近期的《自然-化學》[Ying Jiang et al., Nature Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.1488 (2012)]。這項工作得到了科技部重大研究計劃、國家自然科學基金、教育部博士點基金和中國科學院「引進傑出技術人才」計劃的資助。

示意圖：利用STM針尖在單個功能化分子內部進行選擇性斷鍵和成鍵。STM針尖發射的電子束可以選擇性的解離S-Ac鍵（右下角），也可以對S-Au鍵進行焊接（左上角）。背景是分子所吸附的NiAl(110)襯底

 

編輯：素馨