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通过肉眼可以看到化学键(转载&)

(2013-06-11 17:20:49)
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分类: 化学化工

《科学》杂志2013年5月30日登载了由Dimas G. de Oteyza等十二人联合发表的一篇文章,题为《Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions》,Science DOI: 10.1126/science.1238187   翻译成中文的大致意思是:在单分子化学反应中共价键结构的直接影像。其文章摘要如下:

        Observing the intricate chemical transformation of an individual molecule as it undergoes a complex reaction is a longstanding challenge in molecular imaging. Advances in scanning probe microscopy now provide the tools to visualize not only the frontier orbitals of chemical reaction partners and products, but their internal covalent bond configurations as well. Here, we demonstrate the use of noncontact atomic force microscopy to investigate reaction-induced changes in the detailed internal bond structure of individual oligo-(phenylene-1,2-ethynylenes) on Ag(100) as they undergo a series of cyclization processes. Our images reveal the complex surface reaction mechanisms underlying thermally induced cyclization cascades of enediynes. Additional evidence for the proposed reaction pathways is obtained using ab initio density functional theory. 
    摘要的中文意思大致是:
    在分子影像学领域由于单个分子经历着复杂的反应过程,使得观察单个分子中错综复杂的化学变化长期以来一直是一个挑战。现在,高级扫描探针显微镜已成为使观察过程可视化的工具,不但可以观察到化学反应物和产物的前线轨道中,而且也能观察到内部共价键的构型。这里,我们证实了用非接触原子力显微镜观察单个的
(亚苯基-1,2-次乙炔基)低聚物在银表面由于发生一系列环化反应过程而引起的内部化学键结构变化。图像从根本上提示了热致环化级联烯二炔分子过程中复杂的表面反应机理,所提出的反应路径的附加证据利用从头计算密度泛函理论得以获得
http://s16/mw690/60cb42b1tdedd7045ea3f&690

这是一个含有碳原子的环状分子,图片显示了其重新排列前后的形态,右边即两种最常见的反应产物。比例尺为3埃(即埃格斯特朗Angstrom,符号Å,一般用于表示原子半径、键长和可见光波长,1Å=0.1纳米)。  

 http://s13/mw690/60cb42b1tdedd704761bc&690
反应之前,银表面上的反应物分子。
 

http://s10/mw690/60cb42b1tdedd704e83b9&690

反应产物2是该反应中两种最常见的产物之一。
 
  

http://s12/mw690/60cb42b1tdedd705a732b&690
反应产物3是该反应中另一种最常见的产物。   

  

http://s4/mw690/60cb42b1tdedd7056be63&690

  反应产物4是一个意想不到的产物分子。
 

http://s2/mw690/60cb42b1tdedd709f3fc1&690 研究团队预测了反应产物5的存在,但实际上该分子只占了反应混合物中不到1%。  

    
    这是科学家第一次以原子级的分辨率捕捉到分子反应过程的图像。图像中分子的原子键看起来与化学课本中的棒状图几乎一模一样。直到现在,科学家都还只能推断分子的结构。实验中的分子由26个碳原子和14个氢原子组成,利用原子力显微镜,我们可以清楚看到分子中各个原子之间的原子键,其长度只有几埃(埃,符号Å,一般用于表示原子半径、键长和可见光波长,1Å=0.1纳米)。有关的研究结果在线发表在5月30日的《科学》(Science)上。
    
研究团队一开始是准备精确地组装以石墨烯制成的纳米结构。石墨烯是一种单层材料,由碳原子以六边形重复排列而成。要组成这样的蜂窝形状,需要将链状分子中的原子重新排列成六边形。反应的产物包括好几种不同的分子。加州大学伯克利分校的化学家菲利克斯·费舍尔(Felix Fischer)及其同事希望通过分子成像技术保证实验正确进行。
    
为了记录石墨烯的形成过程,费舍尔需要一个强大的成像设备,最后他找到了物理学家迈克尔·克罗米(Michael Crommie)在加州大学伯克利分校的实验室,那里有一台原子力显微镜。非接触式原子力显微镜利用一个非常精细的探针来读取分子产生的电性力,当探针在分子表面附近移动时,会因不同的电荷量而发生偏移,从而构建出原子及原子键的图像。
    
利用这项技术,研究团队不仅获得了碳原子的图像,也清晰地看到了原子之间的原子键。他们将一个环状的碳分子结构置于银板上,加热至分子发生重排,之后进行冷却并冻结反应产物。检测发现,反应后出现了三种意料之外的分子产物,及一种之前科学家预测会出现的分子。

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