AFM捕捉到带电分子结构的变化

单个分子的精确成像已被提升到一个新水平，演示了电子可以一次传递给它们一个，并在图像中识别出分子结构的变化。¹

该技术已由狮子座总以及IBM瑞士Zürich研究实验室的同事们。这些发现“令人印象深刻，令人信服”，他说丹尼尔Ebeling德国吉森大学贾斯特斯·李比希教授，他没有参与这项研究。他补充说，这项技术“可以提供基本的信息，远远超出仅仅提高图像分辨率的范围，并且应该允许我们增加对表面反应过程的理解”。

Gross的团队之前已经证明，用原子力显微镜(AFM)探测表面吸附的分子，在其尖端附着一氧化碳(CO)分子，可以提供令人难以置信的高分辨率图像。他们以前用过这种方法想象正在进行化学反应的单个分子电荷转移过程。

为了对带电状态进行成像，研究人员将分子放置在绝缘表面上，为此他们在铜上沉积了非常薄的氯化钠薄膜。他们将系统冷却到5K以抑制分子的运动和振动，并使用co端AFM尖端在超高真空下对各种有机分子进行成像。

格罗斯和他的同事们可以通过在尖端施加电压将电荷一次一个电子转移到单个分子上。他们测量了尖端上的力是如何随电压变化的，这种方法被称为开尔文探针力显微镜。随着电压的变化，力的阶梯式跳跃表明电荷状态的变化。

在格罗斯的研究小组带电的分子中有偶氮苯，这是一种有机分子，通常被用作照相机械分子开关，因为它可以在两种分子之间转化独联体而且反式同分异构体。他们发现在中性的情况下反式假设分子两端的两个苯环都朝同一方向向外倾斜，但添加一个电子会使其中一个环向另一个方向倾斜，产生扭曲。利用密度泛函理论(DFT)对分子结构进行计算，预测了同样的行为。

研究人员还对并五苯分子进行了带电处理:这是由五个融合苯环组成的线性链。它们可以解决不同环上键长的微小变化，因为双电子电荷改变了成键模式，各种碳碳键在不同位置改变了它们的键序——通常在单键或双键之间。

与此同时，在四氰醌二甲烷(TCNQ)分子(一种经常用于分子电子学的强电子受体)的例子中，给中性分子充电将其从表面直立的构象转变为平躺的构象，同时改变了分子内部的键合。这种与电荷态有关的取向开关以前从未见过，Gross说这种效应“可能在基于单电子跳跃的设备中作为分子开关而有用”。

通过给卟啉环(叶绿素中的关键分子群，光吸收导致电荷转移)充电，IBM团队看到了由于共轭效应而导致的键合变化，这再次与DFT计算一致。这样的一致让人放心，但这并不意味着实验是多余的。格罗斯说，DFT依赖于各种假设和近似，所以尽管“它通常是正确的，但我们不能依赖它”。IBM团队成员Nikolaj摩尔他说:“将实验结果与DFT结果进行比较可以帮助发现理论的局限性并改进它。”

他说，在这些带电分子的实验中，分析键序的能力令人印象深刻义明杉本学他是日本东京大学的一名分子成像专家。他说:“电荷态控制和亚分子分辨率成像的结合为精确描述带电分子开辟了道路。”

格罗斯说，这项技术还有助于通过原子操作合成新分子和分子器件。他的团队以前使用过AFM方法合成一种传统方法难以合成的分子最近，他们证明了，通过创造分子的多重电荷态，他们可以形成和断开键。²他说:“识别并五苯这样的自由基位点，并解决电荷上的结构变化，将有助于我们更好地理解和预测这种新的合成路线。”