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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在單分子精密測(cè)量研究中取得重要進(jìn)展


  來源: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 時(shí)間:2021-02-23 編輯:清風(fēng)
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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)單分子科學(xué)團(tuán)隊(duì)侯建國(guó)、王兵、譚世倞等科研人員發(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(chǎng)作用下不同內(nèi)稟參量響應(yīng)的精密測(cè)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2月19日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。


精確測(cè)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(cè)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(guó)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(Nature2013, 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(cè)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(cè)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,研究團(tuán)隊(duì)將拉曼光譜的實(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(cè)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(cè)結(jié)果。


這一融合多維度表征技術(shù)策略有望為表面催化、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)域具有重要科學(xué)價(jià)值?!犊茖W(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(guó)科大微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心博士生胥佳玉、祝翔是本論文的共同第一作者,侯建國(guó)、王兵、譚世倞為論文通訊作者。


該研究得到科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省相關(guān)項(xiàng)目的資助。


基于掃描探針的單分子多參量測(cè)量示意圖:(A)探針;(B)拉曼光譜光路;(C)AFM像;(D)STM像和利用高靈敏單光子計(jì)數(shù)器同步采集的C-H振動(dòng)拉曼光譜像;(E)分子骨架結(jié)構(gòu)的拉曼光譜像。


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