在显微镜下观察单个原子的电负性

一种测量表面上单个原子电负性的方法可以用于研究多相催化剂的结构和反应性变化。

1932年，莱纳斯·鲍林将电负性定义为原子吸引电子的能力。然后，他根据在气体分子中测量的键能计算了电负性。化学教科书通常有鲍林电负性值表，其中铯的电负性最小，氟的电负性最大。

今天,科学家可以测量单个原子的键能使用原子力显微镜(AFM)。在这种技术中，一个微小的悬臂梁弹起一个尖端，锋利到一个原子点，靠近表面上的一个原子。然后显微镜将尖端从表面移开，使原子在它们之间的键长范围内或范围外移动。两个原子之间的力随着它们之间距离的增加而改变，这些变化的力改变了通过悬臂的振动。通过测量悬臂振动的频移，研究人员可以确定尖端和表面之间的键能。

乔小野田他和他的同事们想知道，AFM测量不同原子之间的键能是否会揭示由于电负性差异而导致的极化。为了验证这一想法，研究人员将氧原子嵌入硅表面，并使用AFM测量表面氧原子与显微镜尖端硅原子之间的键能。为了解释每个针尖的自然变化，他们重复了几次测量，每次都使用不同的针尖。

研究人员还重复了AFM对含有铝原子的硅表面的测量，铝原子的电负性比硅小，以及含有锡或锗原子的硅表面的测量，铝原子的电负性与硅相同。

一个硅原子和表面上引入的一个原子的键能的测量符合一个由鲍林方程导出的极性共价键的键能方程。方程中的一项反映了由尖端原子和表面原子之间的电负性差异所产生的离子能。为了将这些值与常见的电负性测量值进行比较，研究人员将他们测量的离子能量与鲍林的电负性值相关联，使用建模来确认硅的鲍林值接近尖端的电负性。他们发现，用AFM测量的电负性与鲍林的值非常接近。

分子的影响

虽然Onoda和同事测量了单个原子的电负性，但电负性通常被认为是分子的一种性质。给定原子周围的元素环境会影响其测量的电负性。为了检验这种AFM方法能否检测环境对电负性的影响，研究人员合成了一个硅原子与两个氧结合的表面。中硅的测量电负性二氧化硅比纯硅原子的电子密度要大，这一结果得到了计算机模型的支持，该模型显示，二氧化硅中的硅与纯硅原子相比，电子密度更大。

Onoda认为这种技术可以用于研究过渡金属氧化物催化剂的表面，这种催化剂已知具有多种活性位点。他说，电负性测量可能有助于绘制整个表面的反应性。

“用任何技术测量电负性都不是一件容易的事情，”他说汉斯·Schniepp，在美国威廉玛丽学院。他喜欢这种方法在单个原子的尺度上工作得很好，因为适用于原子集合的原则并不总是适用于原子水平。