來自IBM研究中心的一組研究人員（蘇黎世、?？松梨谘芯抗こ坦竞褪サ貋喐绱髮W）首次對分子改變電荷狀態(tài)的過程進行了成像。在發(fā)表在《科學》上的研究論文中，該研究小組描述了他們是如何創(chuàng)造這些圖像的，以及看到了什么。

一段時間以來，科學家們已經(jīng)知道，當分子帶電時，功能和結構都會發(fā)生變化，但直到現(xiàn)在，還沒有看到它的實際過程。

在這項新研究中，研究人員繪制了四種分子圖像（偶氮苯、戊二烯、TCNQ和卟啉）它們在充電過程中發(fā)生了變化。研究指出，分子充電是許多非常重要生物過程的核心，比如能量傳輸和光轉換——因此，觀察它發(fā)生時的樣子非常重要。為了制作這些圖像，研究人員將單個分子置于一個單獨的NaCl薄膜上，然后在非常冷的真空環(huán)境中使用高分辨率原子力顯微鏡將單個電子從探針尖端轉移到分子上。

采用碳單氧功能化的探針進行成像，每個分子都以四種狀態(tài)成像：正極、中性、負極和雙負極(加上兩個電子)。研究人員觀察了所有分子的結構變化，發(fā)現(xiàn)每個分子的變化方式都不一樣。以戊烯為例，研究小組發(fā)現(xiàn)了分子的哪些區(qū)域反應性更強。通過TCNQ，研究人員觀察到分子中原子間鍵的變化——同時還注意到它相對于堿基的移動。觀察了卟啉的化學鍵類型和長度變化，研究人員還特別指出，卟啉在生物過程中起著至關重要的作用。

卟啉參與了血紅蛋白在生物體中運輸氧氣的過程，能夠看到一個帶電荷的分子發(fā)生了什么，有助于更好地理解整個運輸過程是如何進行的。研究小組進一步提出，利用成像分子電荷狀態(tài)等技術將有助于新材料和新設備的開發(fā)，并將提高我們對自然的總體理解。分子電荷狀態(tài)決定其物理化學性質，如構象、反應性和芳香性，對表面合成、催化、光轉換和分子電子學的應用具有重要意義。在絕緣多層氯化鈉(NaCl)膜上，通過原子力顯微鏡控制有機分子的電荷狀態(tài)。

并將其結構解析為中性、陽離子、陰離子和雙陰離子狀態(tài)，利用一氧化碳(CO)功能化的探針獲得原子分辨率和鍵序分辨。檢測了偶氮苯、四氰基二甲烷和戊二烯在多種電荷態(tài)下的構象、吸附幾何和鍵序關系的變化。此外，還研究了大環(huán)中芳香性和共軛途徑的電荷態(tài)依賴變化。這項研究為研究單個分子在大范圍電荷狀態(tài)下的化學結構變化開辟了新道路。

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參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aax5895

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