化学上的突破提供了对原子键的空前控制

2022年9月15日08:34:36化学上的突破提供了对原子键的空前控制已关闭评论


    一个国际科学家小组开发了一项新技术,可以选择性地重新安排单个分子中的原子键,这被誉为化学界的一个重要创举。这一突破使得对这些结构中的化学键的控制达到了前所未有的水平,并可能为所谓的分子机械开辟一些令人兴奋的可能性。
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    分子是由多个原子组成的,是这些原子的性质和排列的产物。我们呼吸的氧气分子具有相同的原子重复类型,而糖分子是由碳、氧和氢组成。
    科学家们一直在追求一种叫做"选择性化学"的东西,目的是在原子之间形成他们想要的化学键的类型。这样做可能会导致复杂的分子和设备的产生,可以为特定的任务而设计。
    这些所谓的分子机器是2016年诺贝尔化学奖的焦点,荷兰科学家本·费林加因创造了一辆由分子马达以每秒1200万转的速度旋转驱动的“分子汽车”而获得认可。我们还看到科学家们创造了分子泵、微小的齿轮和分子潜艇来瞄准癌细胞,这只是几个例子。
    组装这些类型的微小机器是一项精细的工作,这项新研究的作者将其比作“将乐高积木放入洗衣机,并希望这五百万个分子以某种方式最终将自己组装成所需产品”。他们的新工作旨在减少对运气的依赖,而更多地依靠对化学键的有目的的控制。
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    研究的重点是被称为结构异构体的分子,它们具有相同的原子组成,但这些原子之间的化学键排列不同。通过使用扫描探针显微镜的尖端施加不同的电压脉冲,研究小组表明,他们可以有选择地重新排列化学键。例如,一个中间有一个十元碳环的分子能够转化为一个有四元和八元碳环的分子,或者一个中间有两个六元碳环的分子。
    这些反应也是可逆的,这意味着研究小组可以随意打破和形成不同的键,并基本上以可控的方式在分子结构之间进行转换。这种形式的"选择性化学"被该团队描述为史无前例。
    “这是第一次,”IBM研究部科学家和高级研究作者Leo Gross向New Atlas解释说。“这是第一次有选择性地在一个分子中形成不同的键。通过施加在中间的分子上的电压脉冲的大小,我们可以选择是否要创建右边的分子或左边的分子(见下图)。”
    化学上的突破提供了对原子键的空前控制
    对于分子机械来说,现在还处于早期阶段,但是能够对这些类型的结构进行更精细控制的技术可以大大帮助它们的发展。
    Gross表示:“分子机器可能执行的任务包括分子或纳米颗粒的运输、纳米结构的制造和操纵以及促进化学转化。未来的应用可能与单电子分子设备、纳米机电系统、化学合成和药物输送有关。”
    该研究发表在《科学》杂志上。