研究測量到單個化學鍵斷裂情形

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【大紀元2021年10月14日訊】(大紀元記者張妮編譯報導)普林斯頓大學(Princeton University)的一組研究人員使用高分辨率的原子力顯微鏡(AFM),記錄了一個碳原子和來自另一個化合物內鐵原子之間的共價鍵斷裂的全過程。

原子力顯微鏡是探頭只有一個銅原子那麼小的精密儀器,研究人員用它不斷靠近化學連接鍵,直到看到化學鍵斷裂。研究人員還測量到這個化學鍵斷裂所需的引力和排斥力分別是多大。

主要研究者之一普林斯頓材料科學與技術研究所(PRISM)機械與航空航天工程學教授阿諾德(Craig Arnold)說:「這是一張不可思議的照片,能夠看到原子綁定在一起的細節,還明確地看到了它們結合在一起和分開的兩種狀態。這對瞭解各種化學鍵結合的強度、互動細節等信息太重要了。這在很多方面具有重要用途,特別是催化劑領域的研究。催化劑的原理就是在微觀接觸面上,某個分子與另一個分子互動,導致某些化學鍵斷裂的過程。」

在這項實驗中,研究人員查看了一氧化碳分子內的碳原子,和鐵酞菁(一種常用的顏料,常用作催化劑)內的鐵原子綁定的情況。鐵酞菁的分子結構就像一個對稱的十字,鐵原子位於氮和碳原子共同組成的環狀結構的正中心。鐵原子與一氧化碳裡面的碳原子相互作用,形成一種名為配位鍵的特殊共價鍵

研究人員用原子力顯微鏡銅原子探頭不斷靠近鐵-碳綁定鍵,探頭越接近綁定鍵,對它產生的作用力越大,在靠近到一定距離的時候,就看到化學鍵斷裂的情形。

他們用銅原子探頭每次遞進僅5皮米(10⁻¹²米)的速度接近綁定鍵,在距離鐵-碳綁定鍵30皮米的地方,綁定鍵斷裂。30皮米的距離大約是一個碳原子直徑的六分之一。

研究組嘗試了用引力和排斥力讓綁定鍵斷裂的情形,並記錄了分別所需的作用力。當用銅原子探頭靠近綁定鍵的時候,是引力導致它斷裂,此時的作用力是150皮牛(10⁻¹²牛頓);當探頭附加一個一氧化碳分子的時候,探頭對綁定鍵施加的是排斥力導致它斷裂,此時的作用力是220皮牛。

這份研究報告9月24日發表於《自然·通訊》(Nature Communications)期刊。◇

責任編輯:朱涵儒

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