不同电荷态的成像分子

当分子带电时，这会改变分子的结构和功能。解析分子带电时的结构变化可以提高我们对这些基本关系的理解。

我和 IBM Research 的同事，以及来自 CiQUS 的合作者，在圣地亚哥德孔波斯特拉大学和埃克森美孚，在同行评审期刊 Science 上进行了报道 我们已经能够以前所未有的分辨率解决带电时单个分子的结构变化，包括卟啉，卟啉的母体化合物。这一新的理解解开了分子电荷-函数关系的一些奥秘，因为它与生物学如何转换和传输能量有关。

十年磨砺

十年前，我和我的同事开发了一种以原子分辨率解​​析分子结构的技术（Science 325, 1110, 2009），后来我们证明了它对探测分子中键强度的敏感性（Science 337, 1326, 2012） .我们提高成像分辨率的技巧是用单个一氧化碳 (CO) 分子对低温原子力显微镜的尖端进行功能化。多年来，我们改进了这项技术来控制分子的电荷状态，我们将其置于绝缘体上以排除电荷泄漏（Nature Comm. 6, 8353, 2015）。通过在原子力显微镜尖端和样品之间施加电压，我们可以控制分子上的电子数。

去年，我和我的同事 Shadi Fatayer 考虑如何将这些以前的作品结合起来。也就是说，使用 CO 尖端对分子进行超高分辨率成像，同时控制电荷。在我们的新出版物中，我们展示了这一目标是如何实现的，并展示了通过研究在不同领域具有重要意义的几种分子的电荷态可以学到的东西。

结果

首先，我们表明可以通过研究众所周知的分子开关（偶氮苯）来解决吸附几何结构的变化。分子的两个平面基团在中性时是平行的。我们发现当一个电子附着时它们彼此倾斜，使分子带负电。

接下来，我们专注于电荷引起的单个键强度的变化。这些都是很小的影响，我们选择了一种模型化合物（并五苯）来查看它们是否可以解决。我们可以在四种不同的电荷状态下操纵这个模型分子，从正电荷到双负电荷。我们解决了当我们改变电荷时，分子内哪些键会变强，哪些会变弱。在这个模型系统上，我们学习了如何比较不同电荷状态下拍摄的图像。

然后我们将我们的方法应用于分子 (TCNQ)，该分子经常用作电荷受体并解决作为电荷状态函数的面外畸变和键强度变化。令人惊讶的是，这种分子在中性时会站起来，而在消极或双重消极时则落在表面上。可以观察到中心分子环的芳香性从负电荷状态增加到双负电荷状态。

最后——也许是我们研究的最有趣的分子——是卟啉，叶绿素和血红蛋白的母体化合物。这些分子如何改变它们的结合途径是有争议的，了解它们的功能非常重要。我们第一次可以可视化三种不同电荷状态下卟啉的共轭途径和芳香性的变化。

借助我们的新技术，我们可以加深对电荷如何改变分子结构和功能的理解，这在许多方面都至关重要，例如对生物体的光转换和能量传输。

分子结构解析与电荷态控制 , 科学, Shadi Fatayer, Florian Albrecht, Yunlong Zhang, Darius Urbonas, Diego Peña, Nikolaj Moll, Leo Gross, DOI:10.1126/science.aax5895

该项目得到了欧洲研究委员会整合者赠款“AMSEL”（合同号 682144）、Agencia Estal de Investigación (MAT2016-78293-C6-3-R)、加利西亚 Xunta (Centro single deinvestigación de Galicia) 的支持, 认证 2016–2019, ED431G/09) 和欧洲区域发展基金。