利用低溫掃描隧道顯微鏡成功實現了化學鍵的選擇性操縱

可控的對分子内部的化學鍵進行選擇性操縱是科學家們一直以來所追求的目标。經過近二十年的努力，人們利用激光和掃描隧道顯微鏡，成功的對一些簡單分子實現了選鍵操縱，比如：甲烷、氧分子、一氧化碳、乙炔、苯分子等，從而調控和這些分子相關的化學反應。近年來，随着分子納米科技（包括：分子電子學、分子傳感器、納米機器等）的迅速發展，如何在一個複雜功能化分子中實現化學鍵的選擇性操控變得愈加重要。然而，由于分子内部自由度的複雜化以及能量在分子内部的重新分配，在複雜功能化分子中實現化學鍵的精确控制非常具有挑戰性。

最近，beat365量子材料中心江穎研究組與中科院物理研究所的郇慶副研究員、美國加州大學歐文分校的Wilson Ho教授以及加州大學聖塔芭芭拉分校的Guillermo C. Bazan教授合作，利用自制的低溫掃描隧道顯微鏡，成功的對一種廣泛應用于分子電子學研究的巯基π-共轭分子 (1,4-bis[4’-(acetylthio)styryl]benzene) 實現了化學鍵的選擇性操縱。通過向分子内部注入空間局域、能量可調的隧道電子，利用共振電子激發技術，他們可以分步把分子中四個不同的官能團逐個剝離，同時在能量空間和實空間中監測每一個化學鍵的斷裂對分子電子結構的影響。基于可控的斷鍵，他們進一步利用掃描隧道顯微鏡的原子操縱技術，精确的操控表面上的金原子，使其與分子中的硫原子結合并形成化學鍵，從而人為構造出了一個“電極-分子-電極”的單分子結。他們發現，Au-S鍵的空間構型和分子的對稱性共同決定了成鍵的類型：共價鍵或者配位鍵；同時，Au-S相互作用是非局域的，其對整個分子的電子結構有着很大的影響，表現為分子共振态的展寬和能級的移動。這些結果将有助于澄清單分子電輸運研究中理論和實驗長期以來的分歧。

該工作展示了在複雜大分子中實現選鍵操控的可能性，同時也在單分子水平上揭示了分子的電子結構在化學反應過程中的演化。相關結果以article的形式發表在近期的《自然-化學》[Ying Jiang et al., Nature Chem. DOI: 10.1038/NCHEM.1488 (2012)]。該工作剛在線發表，英國英國皇家化學學會 (Royal Society of Chemistry) 就以”Nano-welding taken to the limits as specific bonds are cut and formed”為題進行了報道。這項工作得到了科技部重大研究計劃、國家自然科學基金、教育部博士點基金和中國科學院“引進傑出技術人才”計劃的資助。