IBM 和 Warwick Image 首次获得高反应性三角形分子

多亏 IBM 和华威大学的科学家，Triangulene 得以首次特写

（4 月 7 日，更新：该论文登上了自然纳米技术 4 月刊的封面）。

四月2017年自然纳米技术第12卷第4期。图片来源 Niko Pavlicek，IBM 研究院。封面设计：Bethany Vukomanovic

IBM 科学家今天发表在 Nature Nanotechnology 上，真正让隐形可见

几周前，IBM 基于这个主题发布了对未来五年的年度五项预测。苏黎世的 IBM 科学家正在提出一个很好的论据，以他们最新的科学成就添加第六个预测 - 对科学已知的一些最小的物体进行成像。

虽然不是家喻户晓的名字，但包括并五苯、奥林匹克烯、六苯并coronene 和头孢菌酮 A 在内的分子都是微观分子，传统上使用 2D 结构棒模型表示——回想一下你的高中化学课。

但是，由于 IBM 科学家在 2009 年发表的一项显微镜技术，世界各地的物理学家、生物学家和化学家现在可以非常清晰和精确地对这些分子进行成像，在某些情况下，这是第一次，在它们首次被理论化几十年后以令人难以置信的精确度进行研究和操作。

华威大学的 David Fox 解释说：“对于化学家来说，能够以如此高分辨率看到单个分子，尤其是不寻常或高反应性的分子，真是太棒了。这是确认它们结构的最好方法。”

教授。华威大学的 David Fox 于 2012 年首次与 IBM Research 合作。

除了成像之外，IBM 团队包括两个欧洲研究委员会 (ERC) 的资助获得者 Leo Gross 和 Gerhard Meyer，他们还能够操纵分子以引起化学反应，因此可以从吸附的前体分子合成分子。

例如，近一年前，科学家们与圣地亚哥德孔波斯特拉大学的 CiQUS 合作，触发并观察到了一种迷人的分子重排反应，称为伯格曼环化，并在前一年他们研究并可视化了亚炔，一个高度- 115 年前首次提出的反应性短寿命分子——证明它们确实存在。而现在，他们又来了。

IBM 科学家与华威大学的化学家合作，今天出现在 Nature Nanotechnology 上，合成并表征了一种名为 triangulene 的棘手分子，也称为 Clar 碳氢化合物，该分子于 1953 年首次被假设。

华威大学的 Anish Mistry 继续说道，“化学家一直认为三角烯太不稳定而无法分离。在我们之前的 olympicene 合作的基础上，我们为分子添加了一个额外的环，并为科学增加了额外的复杂性，但已经设法制造出一种以前不可能的分子，并且具有潜在的非常有趣的特性。”

该论文的第一作者、IBM 研究员 Niko Pavliček 评论说：“在这项工作中，我们使用了来自 aryne 和 Bergman 论文的原子操作技术来生成以前从未合成过的三角烯。这是一种具有挑战性的分子，因为它具有高反应性，但由于其磁性，它也特别有趣。”

正如他们在之前的论文中所证明的那样，IBM 科学家使用独特的组合扫描隧道显微镜 (STM) 和原子力显微镜 (AFM)，这两种显微镜均由前 IBM 科学家在 1980 年代发明，并分别获得了诺贝尔奖和卡夫利奖。

在他们的最新研究中，结合 STM/AFM 的尖端用于从前体分子中去除两个氢原子。 STM 通过电子在非常靠近样品表面的尖端之间的量子力学隧穿并在它们之间施加电压来进行测量。在适当的高电压下，“隧道电子”可以诱导去除前体分子内的特定键。当在较温和的电压下成像时，产物分子可以通过其分子轨道表征。

这些测量与密度泛函理论计算相结合，证实三角烯在表面保持其游离分子的性质。

该团队还首次使用 AFM 来解析或成像带有六个稠合苯环的平面分子，这些苯环出现在对称三角形中。结果带来了一些惊喜。

IBM 科学家Leo Gross 合作开发了 AFM 技术对三角烯成像。

Gross 解释说：“自由基具有不成对的电子，我们之前一直在研究 sigma 自由基。在这些中，未配对的电子被分配给某些原子，我们发现这些总是与铜形成键。但令我们惊讶的是，在铜上没有形成三角烯键合。我们认为这是因为三角烯是 π 自由基，这意味着它的未配对电子是离域的。”

正是这些不成对的电子使分子变得有趣。在经典物理学中，在空间中运动的带电粒子具有角动量并在其周围产生磁场。在量子力学中，每个粒子——无论是否在空间中运动——都拥有一个额外的内在角动量，称为它们的“自旋”。在大多数传统的碳氢化合物中，电子总是成对的，它们的自旋效应相互抵消。但在像三角烯这样的分子中，未成对电子的自旋导致分子尺度上的磁性。

作者认为，除了科学之外，这项工作还有几个有趣的应用。

Pavliček 解释说：“加入石墨烯纳米带的类三角链段被认为是设计有机自旋电子器件的一种优雅方式。”

正在研究石墨烯纳米带在纳米复合材料中的应用，这些材料非常坚固且轻便。包括 IBM 在内的世界各地的团体都在研究自旋电子学领域，用于信息存储和处理。

Pavliček 继续说道，“我们还可以证明它的磁性在氙气或氯化钠表面上仍然存在。然而，我们无法用我们的显微镜（没有磁场）详细了解它的磁性状态和可能的激发，因此其他小组有很多探索和发现。”

其中一些研究是在 IBM 发起的一个名为 IBM Research Frontiers Institute 的新合作联盟下进行的。在此框架内，研究院成员共同开发和分享突破性技术并探索其业务影响。

该研究还得到了欧盟委员会 H2020 PAMS 和 ITN QTea 项目以及 ERC 资助 CEMAS 和 AMSEL 的部分资助。

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