IBM科学家在单分子内成像电荷分布
2012-03-02 12:26:41   来源： 丁香园   作者：  评论：0 点击：

IBM科学家首次测量在单个分子内电荷是如何分布的。IBM指出，这能促使我们科学的洞察原子和分子间单分子转换和键合成，在未来可应用于太阳能转换、能 量储存或分子测量设备中。他们通过在低温和真空中使用被称为Kelvin探针显微镜直接直接成像单个萘酞菁分子中电荷分布。

伯克利大学凝聚体物理学教授Michael Crommie指出：“这项工作为直接测量单分子中电荷分布奠定了基础。理解这种电荷分布对理解分子在不同环境中工情况至关重要。我认为该技术在未来会对物理、化学和生物的交叉领域产生重要影响。”

事实上，这种新技术结合STM和AFM能够提供有关分子的补充信息。这不禁让人想起诸如X线、磁共振或超声等医学影像技术，它们为人体解剖和健康状态提供补充信息。

苏 黎世IBM纳米系统组的Fabian Mohn指出：“这项技术为我们更好的理解纳米物理提供了额外的信息。目前可对单个化学键在原子和分子表面之间形成时，电荷是如何再分布进行研究。”该技 术可用于研究电荷络合物中电荷分离和转移。电荷络合物包含两个或更多分子，因为电荷络合物在能量储存或光生伏达学中具极大的应用潜力，所以是当今热门研究 的主体。

仔细研究

为了测量电荷分布，IBM科学家使用被称为Kelvin探针显微镜 (KPFM)的AFM的次级粒子。当扫描探针尖端被置于导体上时,由于探针尖端和导体存在不同的电位，产生了电场。在KPFM中通过应用电压补偿电场测量 这种电位差。KPFM并不直接在分子中测量电荷，而测量由电荷产生的电场。分子上方的电场更强，遂产生更强的KPFM信号。此外，由于电场方向的相反，电 荷相反区域遂产生不同的对比。这就出现了显微镜中的明暗区域（在彩色显微镜中产生的是红蓝区域）。

叉形对称分子——萘酞菁也用于IBM单分子逻辑开关中。它的特征是两个氢原子在分子中间背靠背排列，大小约2纳米。通过应用电压脉冲，能够控制氢原子在两种不同的构造中转化。这种“互变异构化”对分子中电荷分布产生影响，即氢原子互换位置在分子的两条相对臂中进行重排。

通过使用KPFM，科学家们能够成像两种状态下不同电荷分布。为了达到亚分子分辨率，在试验过程中（持续数天），这对使用的原子精度仪器提出了极高要求——高度热稳定和机械稳定性。此外在探针尖端增加一个一氧化碳分子可极大增高分辨率。

在2009年，该团队显示探针修饰科使他们通过应用AFM分辨分子解剖——即“化学结构”。目前研究发现确证了由Fabian Mohn和IBM苏黎世研究所计算机科学研究组的Nikolaj Moll共同提出的第一密度泛函理论。

通过扫描探针技术推进了纳米科学的发展

2006年第一版Nature Nanotechnology的前言中写道：“在19世纪80年代，随着扫描探针显微镜和相关技术的出现，打开了通往纳米世界的大门。”

STM 和其次级粒子AFM是在原子及分子水平进行研究的两项主要工具。STM是在1981年由苏黎世IBM研究组的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的，促使科学家们第一次成像原子。这项具有***性意义的显微镜使得两位科学家获得了1986年诺贝尔物理学奖，通过显示分子或原子的表 面性质和增强原子分辨率开拓了我们的知识范围。然而，STM并不是传统的显微镜。它并不直接成像，而是使用尖端（顶点上只有单个或几个原子）来扫描物体的 表面。通过将尖端靠近物理表面及电压偏移，由于电子隧道的量子力学效应，可以测量尖端和导体之间的电流。保持这种电流并记录尖端在表面的垂直移动可以在原 子层面研究物体表面结构。STM还能用于控制原子和分子。1989年，IBM科学家Don Eigler在一个著名的研究中使用了他新发明的低温STM来定位35个氙原子拼写出“IBM”。1985年，Gerd Binnig发明了AFM。AFM测量的不是电流，而是使用附在悬臂上的尖端来测量尖端和导体间的微力来成像。
随着STM和AFM的发展，其和相关扫描探针技术极大地促进科学家对原子结构和性质的探索。它们在还原复杂功能结构及在原子层面研究电子及化学特性方面极 具应用前景，这对于创造新型纳米装置和系统是必须的，这也能进一步促进现有信息科技、医学、环境技术、能量工业及其他领域的发展。