“选择困难”的解决方案
2019/2/25 7:30:00高艺璇等 中科院之声

    

     我们很多时候都面临着“选择困难”的情景，比如说毕业时选择继续深造还是走上社会求职，比如在投资时选择稳健的投资方式还是风险较大但收益也可能较大的投资方式等等。总之，选择的两头总有利弊，需要权衡，要打破稳定的平衡状态。

     今天我们就来探讨一下原子、分子层面的“选择”难题。

     如何才能“看到”原子和分子？

     我们知道，原子是构成物质世界的基本元素，原子之间通过化学键的作用可以形成分子。原子的半径一般在10^-11~10^-10m的量级，而人眼的分辨只能达到10^-4m，这些精细结构是人眼所无法分辨的。

     为此，科学家们先后发明了扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。扫描隧道显微镜，顾名思义，就是利用量子隧穿效应来呈现物质表面的原子级特性；而原子力显微镜，则是利用了原子之间的作用力。

     随着计算机性能的迅猛发展，科学家们还利用“第一性原理计算”来研究复杂体系的基本性质。将扫描隧道显微镜、原子力显微镜和第一性原理计算相结合，已成为科学家在原子、分子层次研究表面物理和化学过程的强有力手段。

     有机分子的活化“选择”

     有机分子的可控选择性功能化对在原子尺度实现低维材料的精准构造具有重要意义。活化分子，是指将分子从基态转变成容易发生化学反应的活跃状态。被活化的分子之间相互碰撞，才会发生化学反应。

     对分子中的不同官能团进行活化，所需要的能量是不同的。而对于分子中的相似基团而言，将它们活化所需要的活化条件几乎是相同的。这些相似的基团分布在分子中的不同位置，活化其中任意一个并发生化学反应，往往会得到性质截然不同的产物。如何针对性地对其中一个基团进行活化，继而得到预设的产物，是传统化学合成中的一个历史性难题。

     对于一个对称的分子，处在等价位置上的基团是完全一样的，所以称之为等价基团。对这些等价的基团进行有选择的活化看似是一个不可能完成的任务。既然传统的化学合成方法实现不了，不如换一条路走。

     表面合成，是近年来备受关注的一种合成方法。利用金属单晶表面的催化和限域效应，合成出了大量传统湿法化学方法所无法合成的低维功能性纳米材料。那么，是否可以利用金属表面对有机分子中的等价基团进行选择性的活化呢？

     用铜，“逼着”对称分子做出“选择”

     最近，中科院物理所、苏州大学和德国吉森大学的科学家们在一个对称分子做了活化“选择”的实验。这个对称分子是4,4″二氨基对三联苯(DATP)分子，它长成下面这样↓↓

    

     科学家把DATP分子放在铜Cu(111)表面上，然后发现，DATP分子吸附在Cu(111)表面上时会出现对称性的破缺。这时DATP分子中原本等价的两个氨基出现了结构和电子性质的差异，选择性的活化其中一个成为了可能。

     镜面对称的DATP分子在Cu(111)表面上吸附时，分子长轴沿着[11-2]及其等价晶向方向，分子一端呈现模糊的特征，分子的镜面对称被打破，使得两端的氨基不等价(图1)。

    

     图1 原子力显微镜图像中，DATP分子在Cu(111)表面的不对称吸附构型。

     DATP分子与Cu(111)是晶格失配的。可以这么理解，爸爸牵着小朋友走路，DATP分子的长度就如同爸爸的步长，而Cu的晶格就是小朋友的步长，两个人的步长一大一小，始终无法匹配。

     这种晶格失配使得DATP分子内两个等价的氨基官能团吸附在铜表面的不同位置，一端吸附在铜原子的顶位(top)，另一端吸附在表层Cu原子的空心位(fcc)(图2)。

    

     图2 DATP分子在Cu(111)表面的第一种不对称的吸附构型。

     同时，科学家发现，吸附在顶位(top)的氨基相比另一端的氨基与铜表面的距离更近，与表面的相互作用更强，因此活化程度更强，使其在针尖的影响下呈现非稳态特征，并且优先与2-三亚苯甲醛(TPCA)分子以氢键结合(图3)。

    

     图3 DATP和TPCA分子的自组装。

     DATP分子与Cu(111)表面的晶格失配引起的分子不对称吸附和特定官能团的活性增强，为对称分子中等价基团的选择性功能化提供了一种广泛使用的途径，为表面上的不对称化学反应提供了一条新的思路，也让我们在原子、分子层面有了更进一步的了解和认识。

     相关成果发表在 Nature Communication(2018, 9, 3277)上。

     作者：高艺璇 杜世萱 迟力峰

     来源：中国科学院物理研究所

    

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