看见化学键

看见原子不稀奇,化学键(chemical bond)没看过吧?IBM在苏黎世的研究团队继2009年首度公开了化学键影像,最近发表了像奥运环状的分子影像,从影像中可以清晰看出连结相邻原子间键结的存在。这项结果发表在9月出刊的《科学》(Science)上。

这个研究分子影像的先锋团队3年前(2009)发表全世界第1个单一分子影像,团队成员包含法国与西班牙的科学家。这次的新研究成果为研究奇妙物质『石墨烯』缺陷的可能性带来曙光,同时让科学家得以更清楚了解化学反应中电子的行为。

研究团队靠1种特殊技术-原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)来观察分子影像。原子力显微镜是以1个极其微小的金属探针在物品表面进行扫描,样品表面会和金属探头产生微小的作用力,收集作用力大小变化的讯号藉以描述物品表面的状况。IBM团队的新方法很简单,在铜製金属探针上黏1个更小的简单分子作为扫描式显微镜的探头,他们选用的分子是一氧化碳(carbon monoxide, CO),一氧化碳是由1个碳原子和1个氧原子组成的小分子。由1个一氧化碳分子构成的探头,能準确的记录原子表面,让科学家「看」到世上1个单分子影像。如何精确的测量分子表面,一直都是科学家面临最大的难题与挑战,测量过程中必须避免来自外在环境的种种干扰,小小的震动都会影响影像画面。也许你无法想像,室温都会提供显微镜探针分子能量引起扰动,造成影像模糊,最后科学家不得不在摄氏-268度的超低温下进行实验。

让科学家在化学键影像研究得到突破的关键是分子的选择。第1个单一分子影像是观测稠五苯(pentacene),这次实验中则改选用俗称巴克球(buckyball)的富乐烯(fullerene)作为观察的对象。文章第一作者Dr. Leo Gross说:『在先前第一个单一分子影像,稠五苯(pentacene)的影像中,我们虽然看到化学键,但是我们『看不出来』不同化学键的差异。现在我们做到了,我们可以看见不同键结的不同物理性质,真是太令人兴奋了』。

了解化合物中不同化学键的强度对预测分子形状、分子稳定度和分子反应性来说是很重要的。从分子影像图,科学家得到更多化学键的资讯,例如化学键种类和反应中化学键的变化,因为化学键种类与强弱和形成化学键两原子间的电子对数目有关。

接下来研究团队将继续利用这个技术检验石墨烯(graphene),石墨烯是一层只由碳原子组成的平面薄膜,其独特的物理性质和超高导电、导热性,被视为未来重要的奈米电子电路材料。当有其他种类原子混入的石墨烯,石墨烯特有的二维平面结构遭到破坏,产生皱折或弯曲,对此种缺陷目前所知有限,或许经由这个显微影像技术可以得到更多可供研究的资讯。未来研究团队也将尝试使用不同的分子当作原子力显微镜的纪录探针,希望有一天能更进一步看到分子的内部。(本文由国科会补助「新媒体科普传播实作计画」执行团队撰稿)

责任编辑:郑原忠|国立中国台湾大学化学系

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