文|陳根

納米科技是在納米尺度上研究物質(zhì)的特性和相互作用，并且利用這些特性制造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力方式飛躍的一個(gè)新興科學(xué)。納米科技的不斷成長與以掃描探針顯微術(shù)（SPM）為代表的多種納米尺度的研究手段密不可分。

SPM不僅能夠以納米級(jí)甚至是原子級(jí)空間分辨率來確定物體局域光、電、磁、熱和機(jī)械特性，而且具有廣泛的應(yīng)用性，如刻劃納米級(jí)微細(xì)線條、甚至實(shí)現(xiàn)原子和分子的操縱。但是要實(shí)現(xiàn)表面上自由移動(dòng)和拼接不同分子仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近日，德國吉森大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種利用掃描探針操縱有機(jī)分子自身/交叉偶聯(lián)，并在單鍵水平上精準(zhǔn)構(gòu)筑共價(jià)有機(jī)納米結(jié)構(gòu)的通用方法，為合成難以捉摸的共價(jià)納米結(jié)構(gòu)、研究結(jié)構(gòu)修飾和揭示分子間反應(yīng)途徑鋪平了道路。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員提出了一種萬能的方法，用原子力顯微鏡的尖端在Cu(111)上的雙層氯化鈉(NaCl)薄膜上一塊一塊地構(gòu)建這樣的結(jié)構(gòu)，同時(shí)用單鍵分辨率跟蹤結(jié)構(gòu)變化。通過鹵化前體的脫鹵、翻譯和分子間偶聯(lián)，選擇性合成了具有順、反構(gòu)型的共價(jià)同型二聚體和homo-/雜三聚體。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)構(gòu)建演示包括復(fù)雜的鍵序，如碳-碘-碳鍵和融合碳五邊形。

具體來說，研究人員采用碘單取代三亞苯（IT）來驗(yàn)證該針尖誘導(dǎo)偶聯(lián)反應(yīng)方法的可行性和可控性。然后通過選取具有相同或不同表面手性的IT分子，選擇性生成反式或順式結(jié)構(gòu)。

為了證明該操縱方法同樣適用于構(gòu)建可拓展的分子結(jié)構(gòu)，研究人員進(jìn)而采用溴雙取代芘（DBP）作為前驅(qū)體分子，并且三聚體兩端的自由基允許繼續(xù)拓展該結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，又使用更高的偏壓成功誘導(dǎo)連接處分子骨架的重排，形成了并五元環(huán)結(jié)構(gòu)，表明構(gòu)建和編輯分子間復(fù)雜共價(jià)接觸的可能。

最后，由于IT分子的表面手性，兩種互為平面鏡像的TPP三聚體被合成出來，再利用掃描探針可控地操縱有機(jī)分子的活化、聚集和偶聯(lián)反應(yīng)全過程，實(shí)現(xiàn)了相同或不同分子間選擇性共價(jià)組裝，并能編輯分子間的連接方式。

未來通過掃描探針技術(shù)與人工智能技術(shù)的融合，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分子器件的自動(dòng)化原子制造。