陳根：掃描探針，實現碳納米結構精準“縫製”_風聞

文|陳根

納米科技是在納米尺度上研究物質的特性和相互作用，並且利用這些特性製造具有特定功能的產品，實現生產力方式飛躍的一個新興科學。納米科技的不斷成長與以掃描探針顯微術（SPM）為代表的多種納米尺度的研究手段密不可分。

SPM不僅能夠以納米級甚至是原子級空間分辨率來確定物體局域光、電、磁、熱和機械特性，而且具有廣泛的應用性，如刻劃納米級微細線條、甚至實現原子和分子的操縱。但是要實現表面上自由移動和拼接不同分子仍然是一項挑戰。

近日，德國吉森大學應用物理學院的研究人員開發了一種利用掃描探針操縱有機分子自身/交叉偶聯，並在單鍵水平上精準構築共價有機納米結構的通用方法，為合成難以捉摸的共價納米結構、研究結構修飾和揭示分子間反應途徑鋪平了道路。

實驗中，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建這樣的結構，同時用單鍵分辨率跟蹤結構變化。**通過鹵化前體的脱滷、翻譯和分子間偶聯，選擇性合成了具有順、反構型的共價同型二聚體和homo-/雜三聚體。**進一步的結構構建演示包括複雜的鍵序，如碳-碘-碳鍵和融合碳五邊形。

具體來説，研究人員採用碘單取代三亞苯（IT）來驗證該針尖誘導偶聯反應方法的可行性和可控性。然後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構。

為了證明該操縱方法同樣適用於構建可拓展的分子結構，研究人員進而採用溴雙取代芘（DBP）作為前驅體分子，並且三聚體兩端的自由基允許繼續拓展該結構。在此基礎上，又使用更高的偏壓成功誘導連接處分子骨架的重排，形成了並五元環結構，表明構建和編輯分子間複雜共價接觸的可能。

最後，由於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分子的活化、聚集和偶聯反應全過程，實現了****相同或不同分子間選擇性共價組裝，並能編輯分子間的連接方式。

未來通過掃描探針技術與人工智能技術的融合，有望實現複雜分子器件的自動化原子製造。