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中國科大在單分子精密測量中取得重要進(jìn)展

2021-02-20 10:12 作者:中國科大Unofficial 0人讀過 | 我要投稿

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)侯建國院士、王兵教授、譚世倞教授等發(fā)展了多種掃描探針顯微成像聯(lián)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單分子在電、力、光等外場作用下不同內(nèi)稟參量響應(yīng)的精密測量，在單化學(xué)鍵精度上實(shí)現(xiàn)了單分子多重特異性的綜合表征，這一研究成果于近期發(fā)表在《科學(xué)》雜志上（Science 2021, 371, 818–822）。

精確測定分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、識(shí)別其化學(xué)物種一直是表面科學(xué)的核心問題。即使在單個(gè)分子層次上,分子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)及其激發(fā)態(tài)、化學(xué)鍵振動(dòng)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為等多維度的內(nèi)稟屬性均表現(xiàn)出顯著的特異性。針對(duì)分子多維度內(nèi)稟參量的精密測量是全局性和綜合性理解分子特異性的基礎(chǔ)，但始終是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的前沿問題。在過去的40多年里，掃描隧道顯微術(shù)（STM）及其衍生出的多種高分辨的顯微成像技術(shù)，如q-Plus原子力顯微術(shù)（AFM），已經(jīng)獲得1埃量級(jí)的空間分辨能力。但是，這些顯微技術(shù)缺乏化學(xué)識(shí)別能力。直到2013年，中國科大單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)利用針尖增強(qiáng)拉曼成像技術(shù)（TERS），首次實(shí)現(xiàn)了亞納米級(jí)的化學(xué)識(shí)別（Nature 2013, 498, 82），并于2019年將該技術(shù)的空間分辨推進(jìn)至1.5埃(Nat. Sci. Rev. 2019, 6, 1169)，為進(jìn)一步拓展針對(duì)分子特異性的全局表征研究打下了基礎(chǔ)。

該團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上，采用融合STM, AFM, TERS等掃描探針技術(shù)的策略，發(fā)展了STM-AFM-TERS聯(lián)用技術(shù)，突破了單一顯微成像技術(shù)的探測局限。利用這一高分辨的綜合表征技術(shù)，以并五苯分子及其衍生物作為模型體系，結(jié)合電、力、光等不同相互作用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子態(tài)、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和振動(dòng)態(tài)、化學(xué)反應(yīng)等多維度內(nèi)稟參量的精密測量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了Ag(110)表面吸附的并五苯分子轉(zhuǎn)化為不同衍生物的機(jī)理，其中納腔等離激元激發(fā)是導(dǎo)致特定吸附構(gòu)型下C―H鍵選擇性斷裂的原因。在技術(shù)上，通過集成高靈敏度的單光子計(jì)數(shù)器，把拉曼光譜的實(shí)空間成像速度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)，成功地實(shí)現(xiàn)了并五苯分子化學(xué)反應(yīng)前后的動(dòng)態(tài)跟蹤與測量。結(jié)合理論計(jì)算，揭示了分子化學(xué)反應(yīng)過程的機(jī)理，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果。這一融合多維度表征技術(shù)策略將為表面催化、表面合成和二維材料中的化學(xué)結(jié)構(gòu)與物種識(shí)別，以及構(gòu)效關(guān)系的構(gòu)建提供可行的解決方案，在表面化學(xué)、多相催化等研究領(lǐng)域具有重要的科學(xué)價(jià)值。《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià)該技術(shù)將具有跨領(lǐng)域的影響力“becoming highly influential across the fields”。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士生胥佳玉、祝翔是本論文的共同第一作者。

該研究獲得科技部、中科院、基金委、安徽省項(xiàng)目資助。