文：冬鼠包 化學(xué)課上，我們沒(méi)少在紙上畫各種分子結(jié)構(gòu)圖，也沒(méi)少聽(tīng)老師講它們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)中是怎么變化的，不過(guò)，這些示意圖還是滿足不了人們“眼見(jiàn)為實(shí)”的心愿。而現(xiàn)在，直接觀測(cè)到化學(xué)反應(yīng)中的分子變化也已經(jīng)成為可能。最近，蘇黎世IBM研究中心的研究者們就在《自然·化學(xué)》期刊上發(fā)布了他們拍到的化學(xué)反應(yīng)“實(shí)況圖”。 圖片來(lái)自：Nature Chemistry 這里展示的是一個(gè)伯格曼成環(huán)反應(yīng)（Bergman cyclization），上面的四張圖片就是化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物、產(chǎn)物和中間體結(jié)構(gòu)的真實(shí)模樣（顏色是后期處理的結(jié)果），下面是對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)式?？梢钥吹剑鼈儽３至送昝赖膶?duì)應(yīng)關(guān)系。 針尖“摸”出分子結(jié)構(gòu) 當(dāng)然，要想對(duì)化學(xué)鍵的形成和斷裂進(jìn)行直接操控和觀測(cè)，也得用些特別的手段才能辦到。那么，研究團(tuán)隊(duì)使用了什么神奇的技術(shù)呢？答案是非接觸式原子力顯微鏡（nc-AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這兩種技術(shù)都是“針尖下的摸索”——它們都要用一個(gè)小針尖來(lái)對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。針尖不會(huì)與被探測(cè)原子直接接觸，但卻能“摸”出它們的存在。原子力顯微鏡探測(cè)針尖與表面原子直接產(chǎn)生的相互作用力；而掃描隧道顯微鏡的針尖則會(huì)加上電壓，測(cè)量電流的變化。調(diào)節(jié)針尖上的電壓，還能操控原子、控制化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。 原子力顯微鏡極簡(jiǎn)版示意圖，不同顏色的球代表不同原子，針尖可以探測(cè)出這些原子是不同的。作者靈魂制圖 早在2013年，就有研究者用nc-AFM呈現(xiàn)了化學(xué)鍵的真容（更多閱讀：用原子力顯微鏡看見(jiàn)納米石墨烯的合成），而這一次掃描隧道顯微鏡的加入，又為研究者們提供了一邊觀測(cè)一邊精確控制化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)。 如何給化學(xué)反應(yīng)拍照？ 具體要怎么做呢？首先，要在銅表面上“放鹽”——當(dāng)然，這可不是為了腌制入味。在銅表面上精確地沉積兩層氯化鈉結(jié)構(gòu)，這樣就做成了安放分子的“底板”，可以把要研究的分子（9,10-二溴蒽，DBA）放上去了。氯化鈉“鍍層”可以更好地穩(wěn)定這些分子。 給銅加上兩層NaCl。作者靈魂制圖 在反應(yīng)開(kāi)始前，研究者先要用原子力顯微鏡上的特制針尖給分子“照個(gè)相”： DBA的“照相”結(jié)果。圖片來(lái)自原論文 圖中顯示了三個(gè)環(huán)，中間環(huán)的上下還分別連著一個(gè)白色的“小吊墜”——這就是環(huán)上連接的兩個(gè)溴原子了。 接下來(lái)，輪到掃描隧道顯微鏡登場(chǎng)。通過(guò)針尖施加電擊，研究者們相繼去掉了分子上的兩個(gè)溴原子，讓分子變成了帶著未配對(duì)電子的自由基。含有未配對(duì)電子的自由基往往是不穩(wěn)定的，于是就引發(fā)了改變環(huán)結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)。 可以看出，單自由基、雙自由基和雙炔的nc-AFM圖像和結(jié)構(gòu)式吻合得很好。圖片來(lái)自原論文 從上面的反應(yīng)中得到了雙炔結(jié)構(gòu)，研究者們又進(jìn)一步研究了它的成環(huán)反應(yīng)和逆反應(yīng)。通過(guò)掃描隧道顯微鏡的針尖電壓觸發(fā)反應(yīng)，讓兩種雙炔結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)變。為了進(jìn)一步穩(wěn)定這些結(jié)構(gòu)，研究者們又給基底加了“一層鹽”，并把分子卡在氯化鈉形成的臺(tái)階上： 被氯化鈉卡住的分子，側(cè)視示意圖。作者靈魂制圖 卡住分子，就保證了“所見(jiàn)即所得”，也就是說(shuō)，觀測(cè)過(guò)程不會(huì)被分子的位移、旋轉(zhuǎn)等因素干擾。通過(guò)掃描隧道顯微鏡施加電壓，再加上原子力顯微鏡“拍照”，就可以看到分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過(guò)程了。從這一結(jié)果中，也可以看到反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制：在下圖中a和c兩種結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)化時(shí)，一定會(huì)經(jīng)歷中間b的三環(huán)結(jié)構(gòu)，這也證實(shí)了開(kāi)環(huán)和關(guān)環(huán)的反復(fù)過(guò)程。 淺藍(lán)色和黑色的結(jié)構(gòu)式表示的是反應(yīng)中相互轉(zhuǎn)化的兩種雙炔結(jié)構(gòu)，深藍(lán)色的結(jié)構(gòu)式是它們相互轉(zhuǎn)化時(shí)必經(jīng)的中間體。上面的圖像就是這些結(jié)構(gòu)在原子力顯微鏡下的模樣。圖片來(lái)自原論文 本文來(lái)自果殼網(wǎng)，謝絕轉(zhuǎn)載 如有需要請(qǐng)聯(lián)系sns@guokr.com
济宁市|
吉林市|
全椒县|
阿尔山市|
灵丘县|
南川市|
新河县|
滦平县|
罗江县|
正镶白旗|
永平县|
曲松县|
正阳县|
丹棱县|
麦盖提县|
西盟|
四平市|
礼泉县|
当涂县|
湟中县|
石台县|
和平区|
兴安县|
花莲市|
泰顺县|
吉安县|
德保县|
德昌县|
南丰县|
凤冈县|
缙云县|
桐乡市|
隆昌县|
乌拉特中旗|
漠河县|
拉孜县|
米易县|
丹东市|
当阳市|
武安市|
禹城市|