技术杠杠的!首次对分子改变电荷状态的过程进行成像

来自IBM研究中心的一组研究人员(苏黎世、埃克森美孚研究工程公司和圣地亚哥大学)首次对分子改变电荷状态的过程进行了成像。在发表在《科学》上的研究论文中,该研究小组描述了他们是如何创造这些图像的,以及看到了什么。一段时间以来,科学家们已经知道,当分子带电时,功能和结构都会发生变化,但直到现在,还没有看到它的实际过程。

在这项新研究中,研究人员绘制了四种分子图像(偶氮苯、戊二烯、TCNQ和卟啉)它们在充电过程中发生了变化。研究指出,分子充电是许多非常重要生物过程的核心,比如能量传输和光转换

因此,观察它发生时的样子非常重要。为了制作这些图像,研究人员将单个分子置于一个单独的NaCl薄膜上,然后在非常冷的真空环境中使用高分辨率原子力显微镜将单个电子从探针尖端转移到分子上。

采用碳单氧功能化的探针进行成像,每个分子都以四种状态成像:正极、中性、负极和双负极(加上两个电子)。研究人员观察了所有分子的结构变化,发现每个分子的变化方式都不一样。以戊烯为例,研究小组发现了分子的哪些区域反应性更强。通过TCNQ,研究人员观察到分子中原子间键的变化——同时还注意到它相对于碱基的移动。观察了卟啉的化学键类型和长度变化,研究人员还特别指出,卟啉在生物过程中起着至关重要的作用。

卟啉参与了血红蛋白在生物体中运输氧气的过程,能够看到一个带电荷的分子发生了什么,有助于更好地理解整个运输过程是如何进行的。研究小组进一步提出,利用成像分子电荷状态等技术将有助于新材料和新设备的开发,并将提高我们对自然的总体理解。分子电荷状态决定其物理化学性质,如构象、反应性和芳香性,对表面合成、催化、光转换和分子电子学的应用具有重要意义。在绝缘多层氯化钠(NaCl)膜上,通过原子力显微镜控制有机分子的电荷状态。

并将其结构解析为中性、阳离子、阴离子和双阴离子状态,利用一氧化碳(CO)功能化的探针获得原子分辨率和键序分辨。检测了偶氮苯、四氰基二甲烷和戊二烯在多种电荷态下的构象、吸附几何和键序关系的变化。此外,还研究了大环中芳香性和共轭途径的电荷态依赖变化。这项研究为研究单个分子在大范围电荷状态下的化学结构变化开辟了新道路。