中國科學技術大學單分子科學團隊侯建國、王兵、譚世倞等科研人員發展了多種掃描探針顯微成像聯用技術,實現對單分子在電、力、光等外場作用下不同內稟參量響應的精密測量,在單化學鍵精度上實現單分子多重特異性的綜合表征。相關成果2月19日發表于《科學》。審稿人認為,該技術將具有跨領域的影響力。
精確測定分子化學結構、識別其化學物種,一直是表面科學的核心問題。即使在單個分子層次上,分子結構、電子態及其激發態、化學鍵振動、反應動力學行為等多維度的內稟屬性,也均表現出顯著的特異性。針對分子多維度內稟參量的精密測量,是全局性和綜合性理解分子特異性的基礎,也是一個極具挑戰性的前沿問題。
過去40多年里,掃描隧道顯微術(STM)及其衍生出的多種高分辨的顯微成像技術,如q-Plus原子力顯微術(AFM),已經獲得1埃量級的空間分辨能力,但這些顯微技術缺乏化學識別能力。2013年,中國科學技術大學團隊利用針尖增強拉曼成像技術(TERS)首次實現亞納米級的化學識別,并于2019年將該技術空間分辨推進至1.5埃,為針對分子特異性的全局表征研究打下基礎。
該團隊發展了STM—AFM—TERS聯用技術,突破單一顯微成像技術的探測局限。他們利用這一高分辨的綜合表征技術,以并五苯分子及其衍生物為模型體系,結合電、力、光等不同相互作用,實現對電子態、化學鍵結構和振動態、化學反應等多維度內稟參量的精密測量。
實驗結果揭示了銀(110)表面吸附的并五苯分子轉化為不同衍生物的機理,其中納腔等離激元激發是導致特定吸附構型下C-H鍵選擇性斷裂的原因。在技術上,研究團隊通過集成高靈敏度的單光子計數器,把拉曼光譜的實空間成像速度提高兩個數量級,成功實現并五苯分子化學反應前后的動態跟蹤與測量。同時,他們結合理論計算,揭示了分子化學反應過程的機理,驗證了實驗觀測結果。
這一融合多維度表征技術策略有望為表面催化、表面合成和二維材料中的化學結構與物種識別,以及構效關系的構建提供可行的解決方案,在表面化學、多相催化等研究領域具有重要科學價值。(桂運安)
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