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Dr. Ying Jiang published an article in Nature Chemistry on single-molecule manipulation.(2012-11-23)
Dr. Ying Jiang published an article in Nature Chemistry on single-molecule manipulation.(2012-11-23)

        可控的对分子内部的化学键进行选择性操纵是科学家们一直以来所追求的目标。经过近二十年的努力,人们利用激光和扫描隧道显微镜,成功的对一些简单分子实现了选键操纵,比如:甲烷、氧分子、一氧化碳、乙炔、苯分子等,从而调控和这些分子相关的化学反应。近年来,随着分子纳米科技(包括:分子电子学、分子传感器、纳米机器等)的迅速发展,如何在一个复杂功能化分子中实现化学键的选择性操控变得愈加重要。然而,由于分子内部自由度的复杂化以及能量在分子内部的重新分配,在复杂功能化分子中实现化学键的精确控制非常具有挑战性。

最近,北京大学量子材料中心江颖研究组与中科院物理研究所的郇庆副研究员、美国加州大学欧文分校的Wilson Ho教授以及加州大学圣塔芭芭拉分校的Guillermo C. Bazan教授合作,利用自制的低温扫描隧道显微镜,成功的对一种广泛应用于分子电子学研究的巯基π-共轭分子 (1,4-bis[4’-(acetylthio)styryl]benzene) 实现了化学键的选择性操纵。通过向分子内部注入空间局域、能量可调的隧道电子,利用共振电子激发技术,他们可以分步把分子中四个不同的官能团逐个剥离,同时在能量空间和实空间中监测每一个化学键的断裂对分子电子结构的影响。基于可控的断键,他们进一步利用扫描隧道显微镜的原子操纵技术,精确的操控表面上的金原子,使其与分子中的硫原子结合并形成化学键,从而人为构造出了一个“电极-分子-电极”的单分子结。他们发现,Au-S键的空间构型和分子的对称性共同决定了成键的类型:共价键或者配位键;同时,Au-S相互作用是非局域的,其对整个分子的电子结构有着很大的影响,表现为分子共振态的展宽和能级的移动。这些结果将有助于澄清单分子电输运研究中理论和实验长期以来的分歧。
该工作展示了在复杂大分子中实现选键操控的可能性,同时也在单分子水平上揭示了分子的电子结构在化学反应过程中的演化。相关结果以article的形式发表在近期的《自然-化学》[Ying Jiang et al., Nature Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.1488 (2012)]。该工作刚在线发表,英国英国皇家化学学会 (Royal Society of Chemistry) 就以”Nano-welding taken to the limits as specific bonds are cut and formed”为题进行了报道。这项工作得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金和中国科学院“引进杰出技术人才”计划的资助。
 

示意图:利用STM针尖在单个功能化分子内部进行选择性断键和成键。STM针尖发射的电子束可以选择性的解离S-Ac键(右下角),也可以对S-Au键进行焊接(左上角)。背景是分子所吸附的NiAl(110)衬底。
 

 
 
 

       可控的对分子内部的化学键进行选择性操纵是科学家们一直以来所追求的目标。经过近二十年的努力,人们利用激光和扫描隧道显微镜,成功的对一些简单分子实现了选键操纵,比如:甲烷、氧分子、一氧化碳、乙炔、苯分子等,从而调控和这些分子相关的化学反应。近年来,随着分子纳米科技(包括:分子电子学、分子传感器、纳米机器等)的迅速发展,如何在一个复杂功能化分子中实现化学键的选择性操控变得愈加重要。然而,由于分子内部自由度的复杂化以及能量在分子内部的重新分配,在复杂功能化分子中实现化学键的精确控制非常具有挑战性。

最近,北京大学量子材料中心江颖研究组与中科院物理研究所的郇庆副研究员、美国加州大学欧文分校的Wilson Ho教授以及加州大学圣塔芭芭拉分校的Guillermo C. Bazan教授合作,利用自制的低温扫描隧道显微镜,成功的对一种广泛应用于分子电子学研究的巯基π-共轭分子 (1,4-bis[4’-(acetylthio)styryl]benzene) 实现了化学键的选择性操纵。通过向分子内部注入空间局域、能量可调的隧道电子,利用共振电子激发技术,他们可以分步把分子中四个不同的官能团逐个剥离,同时在能量空间和实空间中监测每一个化学键的断裂对分子电子结构的影响。基于可控的断键,他们进一步利用扫描隧道显微镜的原子操纵技术,精确的操控表面上的金原子,使其与分子中的硫原子结合并形成化学键,从而人为构造出了一个“电极-分子-电极”的单分子结。他们发现,Au-S键的空间构型和分子的对称性共同决定了成键的类型:共价键或者配位键;同时,Au-S相互作用是非局域的,其对整个分子的电子结构有着很大的影响,表现为分子共振态的展宽和能级的移动。这些结果将有助于澄清单分子电输运研究中理论和实验长期以来的分歧。

该工作展示了在复杂大分子中实现选键操控的可能性,同时也在单分子水平上揭示了分子的电子结构在化学反应过程中的演化。相关结果以article的形式发表在近期的《自然-化学[Ying Jiang et al., Nature Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.1488 (2012)]。该工作刚在线发表,英国英国皇家化学学会 (Royal Society of Chemistry) 就以”Nano-welding taken to the limits as specific bonds are cut and formed”为题进行了报道。这项工作得到了科技部重大研究计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金和中国科学院“引进杰出技术人才”计划的资助。

示意图:利用STM针尖在单个功能化分子内部进行选择性断键和成键。STM针尖发射的电子束可以选择性的解离S-Ac键(右下角),也可以对S-Au键进行焊接(左上角)。背景是分子所吸附的NiAl(110)衬底。