研究测量到单个化学键断裂情形

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【大纪元2021年10月14日讯】(大纪元记者张妮编译报导)普林斯顿大学(Princeton University)的一组研究人员使用高分辨率的原子力显微镜(AFM),记录了一个碳原子和来自另一个化合物内铁原子之间的共价键断裂的全过程。

原子力显微镜是探头只有一个铜原子那么小的精密仪器,研究人员用它不断靠近化学连接键,直到看到化学键断裂。研究人员还测量到这个化学键断裂所需的引力和排斥力分别是多大。

主要研究者之一普林斯顿材料科学与技术研究所(PRISM)机械与航空航天工程学教授阿诺德(Craig Arnold)说:“这是一张不可思议的照片,能够看到原子绑定在一起的细节,还明确地看到了它们结合在一起和分开的两种状态。这对了解各种化学键结合的强度、互动细节等信息太重要了。这在很多方面具有重要用途,特别是催化剂领域的研究。催化剂的原理就是在微观接触面上,某个分子与另一个分子互动,导致某些化学键断裂的过程。”

在这项实验中,研究人员查看了一氧化碳分子内的碳原子,和铁酞菁(一种常用的颜料,常用作催化剂)内的铁原子绑定的情况。铁酞菁的分子结构就像一个对称的十字,铁原子位于氮和碳原子共同组成的环状结构的正中心。铁原子与一氧化碳里面的碳原子相互作用,形成一种名为配位键的特殊共价键

研究人员用原子力显微镜铜原子探头不断靠近铁-碳绑定键,探头越接近绑定键,对它产生的作用力越大,在靠近到一定距离的时候,就看到化学键断裂的情形。

他们用铜原子探头每次递进仅5皮米(10⁻¹²米)的速度接近绑定键,在距离铁-碳绑定键30皮米的地方,绑定键断裂。30皮米的距离大约是一个碳原子直径的六分之一。

研究组尝试了用引力和排斥力让绑定键断裂的情形,并记录了分别所需的作用力。当用铜原子探头靠近绑定键的时候,是引力导致它断裂,此时的作用力是150皮牛(10⁻¹²牛顿);当探头附加一个一氧化碳分子的时候,探头对绑定键施加的是排斥力导致它断裂,此时的作用力是220皮牛。

这份研究报告9月24日发表于《自然·通讯》(Nature Communications)期刊。◇

责任编辑:朱涵儒

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