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IBM科学家首次拍下单个分子照片,化学反应看起

来源:http://www.tessiz.com 作者:澳门威斯尼人平台登陆 时间:2019-09-04 16:17

据英国《每日邮报》报道,近日IBM的科学家首次拍摄了单个分子的照片,而一个分子要比一粒沙小上百万倍。借助原子力显微镜,科学家将单个并五苯分子的照片呈现在人们面前。在照片中,并五苯分子看起来像蜂巢一般,呈栅格状。

这种精密测量需要科学家稳若盘石,杜绝任何来自实验室或周边环境的振动。即使室内温度的轻微变化,也会使分子摆动。为把破坏降低到最小程度,实验区的温度被降到零下268摄氏度。

鲁戈说:“他意识到,他们看到的很多疾病都是由分子基础的病毒引起的。”在2004年的研究中,鲁戈和其他人利用这种新技术拍摄了一个电子的图像。这个新成果是一张维数图像。核磁共振力显微镜把一个超小悬臂作为放置样本的平台,科学家借助这个悬臂,可以使样本靠近或者远离一个小磁体。在温度非常低的情况下,研究人员可以测量出磁场对在病毒体内发现的氢原子里的质子产生的影响。

针尖“摸”出分子结构

当然,要想对化学键的形成和断裂进行直接操控和观测,也得用些特别的手段才能办到。那么,研究团队使用了什么神奇的技术呢?答案是非接触式原子力显微镜(nc-AFM)与扫描隧道显微镜(STM)。

简单来说,这两种技术都是“针尖下的摸索”——它们都要用一个小针尖来对表面结构进行探测。针尖不会与被探测原子直接接触,但却能“摸”出它们的存在。原子力显微镜探测针尖与表面原子直接产生的相互作用力;而扫描隧道显微镜的针尖则会加上电压,测量电流的变化。调节针尖上的电压,还能操控原子、控制化学反应的发生。

图片 1原子力显微镜极简版示意图,不同颜色的球代表不同原子,针尖可以探测出这些原子排列成的形貌。作者灵魂制图

早在2013年,就有研究者用nc-AFM呈现了化学键的真容(更多阅读:用原子力显微镜看见纳米石墨烯的合成),而这一次扫描隧道显微镜的加入,又为研究者们提供了一边观测一边精确控制化学反应的机会。

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科学家首次拍到单个分子清晰照片

1991年,理论物理学家约翰•斯德莱斯发表一篇纯理论性论文,把核磁共振力显微镜作为三维体力显微镜的研发工作从此开始。后来,斯德莱斯开始寻找有助于研发可对抗艾滋病毒的药物的新工具。斯德莱斯是华盛顿大学医学院整形外科教授,他读过IBM的原子力显微镜研究以后,立即给鲁戈打电话,建议他利用一个可测量瞬间磁场的相关工具拍摄生物结构图。

如何给化学反应拍照?

具体要怎么做呢?首先,要在铜表面上“放盐”——当然,这可不是为了腌制入味。在铜表面上精确地沉积两层氯化钠结构,这样就做成了安放分子的“底板”,可以把要研究的分子(9,10-二溴蒽,DBA)放上去了。氯化钠“镀层”可以更好地稳定这些分子。

图片 2给铜加上两层NaCl。作者灵魂制图

在反应开始前,研究者先要用原子力显微镜上的特制针尖给分子“照个相”:

图片 3DBA的“照相”结果。图片来自原论文

图中显示了三个环,中间环的上下还分别连着一个白色的“小吊坠”——这就是环上连接的两个溴原子了。

接下来,轮到扫描隧道显微镜登场。通过针尖施加电击,研究者们相继去掉了分子上的两个溴原子,让分子变成了带着未配对电子的自由基。含有未配对电子的自由基往往是不稳定的,于是就引发了改变环结构的化学反应。

图片 4可以看出,单自由基、双自由基和双炔的nc-AFM图像和结构式吻合得很好。图片来自原论文

从上面的反应中得到了双炔结构,研究者们又进一步研究了它的成环反应和逆反应。通过扫描隧道显微镜的针尖电压触发反应,让两种双炔结构相互转变。为了进一步稳定这些结构,研究者们又给基底加了“一层盐”,并把分子卡在氯化钠形成的台阶上:

图片 5被氯化钠卡住的分子,侧视示意图。作者灵魂制图

卡住分子,就保证了“所见即所得”,也就是说,观测过程不会被分子的位移、旋转等因素干扰。通过扫描隧道显微镜施加电压,再加上原子力显微镜“拍照”,就可以看到分子结构转化的过程了。从这一结果中,也可以看到反应的发生机制:在下图中a和c两种结构相互转化时,一定会经历中间b的三环结构,这也证实了开环和关环的反复过程。

图片 6浅蓝色和黑色的结构式表示的是反应中相互转化的两种双炔结构,深蓝色的结构式是它们相互转化时必经的中间体。上面的图像就是这些结构在原子力显微镜下的模样。图片来自原论文

这类化学反应在药物研发等领域有不少应用,直接“看到”并调控反应中的分子结构,也会为深入了解化学反应提供更多支持。把“反应实况”放进教科书,看起来也很酷炫呢。(编辑:窗敲雨)

IBM科学家首次拍下单个分子照片

美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世的研究实验室用一种名为“非接触式原子力显微术”的技术探索一个分子的内部情况,把分子和原子的研究推向最小。这项研究可能对石墨烯设备的研究具有重要意义。石墨烯是人类已知最稠密的物质之一,而石墨烯设备可有助于彻底改变无线宽带通信和电子显示屏。

据美国媒体报道,美国IBM一个验室里的研究人员,使用与核磁共振成像术类似的方法,首次拍到一个病毒的三维照片,

参考资料:

  1. Leo Gross, et al. Reversible Bergman cyclization by atomic manipulation. Nature Chemistry 8, 220–224 (2016) doi:10.1038/nchem.2438

在科学家拍摄的并五苯分子照片中,5个六边形碳环结构清晰可见,甚至环绕碳环的氢原子也能看到。事实上,并五苯碳环之间的间隙非常狭小,只有0.14纳米,是一粒沙子直径的百万分之一。

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通过重复改变磁场大小,研究人员可以在悬臂里产生一个瞬间振动,并可利用一个激光束对它进行测量。通过在磁场里移动病毒,可以在二维空间生成一个三维图片。这些研究人员表示,他们认为,那些正在努力查看分子结构和蛋白质的相互作用的结构生物学家,一定会对这种方法感兴趣,鲁戈表示,对那些不能结晶,无法利用X光进行分析的生物样本来说,这种方法非常有效。虽然科学家已经利用其他方法刻画出DNA分子结构的基本特征,但是利用这种方法不仅可以查看构成基本DNA结构的成分,而且还能拍摄出生物分子的互动图片。

化学课上,我们没少在纸上画各种分子结构图,也没少听老师讲它们在化学反应中是怎么变化的,不过,这些示意图还是满足不了人们“眼见为实”的心愿。而现在,直接观测到化学反应中的分子变化也已经成为可能。最近,苏黎世IBM研究中心的研究者们就在《自然·化学》期刊上发布了他们拍到的化学反应“实况图”[1]。(点这里可以阅读论文全文)

完成该科研项目的首席科学家利奥-格罗斯说:“这是首次拍摄下一个分子内所有原子的全家福。”照片显示了并五苯分子的原子连接方式。并五苯常用于太阳能电池制造。并五苯分子结构呈矩形,是一种有机化合物,由22个碳原子和14个氢原子组成。

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现在,医生经常会使用核磁共振成像技术查看人体内部。但是这些研究人员使用的核磁共振力显微镜的清晰度,比核磁共振成像的高1亿倍。加利福尼亚州圣何塞IBM阿尔马登研究中心(AlmadenResearchCenter)的该科研组在《美国科学院院报》上发表的报告中说,他们已经利用空间分辨率是4毫微米的显微镜,拍摄到一个烟草斑纹病毒的三维图片。

图片 9图片来自:Nature Chemistry

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一个石墨烯分子显示出不同长度的原子键。这是科学家首次在“相机”下看到一个分子的组成。

利用原子力显微镜和扫描隧道显微镜等技术,可以拍摄单个原子的图片。一个原子的直径大约是十分之一毫微米。但是这些技术对生物样本具有更大的破坏性,因为它们为了获得图片,会向目标物发射电子流。而且这些显微镜无法穿过微小结构的表皮,看到它的内部结构。这些研究人员表示,他们的很多想法,都是从最初利用原子力显微镜工作的过程中演变而来的。1993年,IBM的物理学家丹尼尔•鲁戈帮助设计了第一台核磁共振力显微镜,他说:“一直令我非常感兴趣的一件事是,我们能否采用相同想法,把它应用到三维空间里?我们希望可以拍摄分子等原子结构照片。这就是我们的研究动机。”

这里展示的是一个伯格曼成环反应(Bergman cyclization),上面的四张图片就是化学反应中反应物、产物和中间体结构的真实模样(颜色是后期处理的结果),下面是对应的结构式。可以看到,它们保持了完美的对应关系。

出现在课本上的分子结构示意图

这个科研小组现在计划拍摄其他分子结构的特写照片,帮助分类不同形状。他们还考虑把不同分子用作“相机”,以便观察记录质量间有何不同。

文章来源:农博网

给单个分子观测拍照的IBM科学家团队

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美国科学家首次拍摄到一个病毒的三维照片

除了要用到最为先进的原子力显微镜,对单个分子观测拍照还必须在零下268摄氏度的真空环境中进行。之所以这样做是为了避免“来回游荡”的空气分子影响到测量和摄像的准确度。

科学家用相同技术拍摄一个石墨烯分子的内部情况。这次展示了不规则的内部机构。

IBM研究人员格哈德-梅耶说:“如同医生利用X光为病人的内脏和骨骼拍照一样,我们通过原子力显微镜为原子结构拍照,这是组成单个分子的主干。”IBM苏黎世研究中心的科研小组表示,这一科研成果具有重要意义,对纳米科技将会产生深远的影响。

原子力显微术的使用原理是让一个分子扮演“留声机”一样的角色,在目标分子的表面上进行“刻画”,获得壳层的变化和律动。这根“唱针”是一个一氧化碳分子。顾名思义,它有一个碳和一个氧原子。

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科学家利用原子力显微镜,将单个并五苯分子的照片呈现在人们面前

科学家格罗斯博士正为拍摄分子特写照片进行准备。

梅耶说:“我们从事这项研究的最终目的就是希望能在分子电子学上取得突破。这样我们将来就能制造出尺寸超小、但是速度堪比超级计算机的芯片,甚至制造出能放在针尖上的芯片也不是没有可能。”

美国国际商用机器公司的这个科研小组2009年拍到并五苯分子的第一张模糊照片,但他们用最新技术拍到更为清晰的分子结构照片。研究报告第一作者利奥-格罗斯说:“在并五苯的个案中,我们看到原子键,却不能真正区分它们,或看不清不同原子键的不同特点。现在我们通过新技术证明我们可看到不同原子键的不同物理性质。这真令人兴奋。”

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这些照片展示了分子的最小结构。较暗区域代表原子的密集部分,明亮区域代表最轻部分。拍摄分子结构很可能有助于揭示大量真相和促进这一技术领域的实际应用。现在,这些照片已展示出新的细节信息,例如分子中心附近的原子键要比分子边缘的原子键短等。

北京时间9月18日消息,美国国际商用机器公司的科学家首次拍到单个分子的清晰照片,同时可看见把分子结构紧密连在一起的原子键。

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