以亚分子精度驱动光化学

光的吸收引发了许多自然和人工的化学过程，例如植物的光合作用、人类视觉，甚至3D打印。到目前为止，似乎不可能在原子尺度上控制光驱动的化学反应，因为只有一个分子的特定部分被处理

我们的国际科学家团队通过使用金属尖端原子级体积中的光浓度，找到了解决这个问题的方法。我们能够诱导分子中两个氢原子的转换，这一过程被称为互变异构化，并通过照射分子的不同部分来控制反应速率及其结果

我们的研究发表在《自然纳米技术》杂志上。未来，这一策略可用于合成新的化合物，其性质可通过原子精度控制

视觉是从视网膜分子开始的，视网膜分子吸收入射到眼睛的光。从光子中获得的能量在很短的时间内存储在分子中，可用于引发化学反应，在这种情况下，即异构化；原子和键的构型的变化

周围的化合物检测到视网膜形状的这种改变，这导致了一系列事件最终被我们的大脑检测到。其他光诱导的化学反应在诸如植物光合作用或用于蚀刻和3D打印的半导体工业中的光聚合等机制中是重要的

尽管光反应在自然界和工业中都起着决定性的作用，但在最基本的单位，即与光相互作用的单个分子，研究和控制这种化学转化是极其困难的

在通常的情况下，光将同时与许多分子相互作用，因为可见光子的波长（400–800 nm）比通常的光学活性分子的大小（1–4 nm）大两个数量级。典型的光学显微镜不足以在探测光和物质之间的相互作用时达到这样的精度

我们驻法国、捷克和德国的国际团队的目标是克服这个问题，并能够进行亚纳米精度的光化学反应

我们通过使用非常锋利的扫描隧道显微镜（STM）尖端的能力来解决这个问题，该尖端只有一个原子，可以将激光集中到亚纳米级。这些金属尖端的作用类似于通常的射频天线，只是它们在电磁频谱的光学频率下工作

我们从这种效应中受益，并利用它来驱动光化学反应，我们不仅在单个分子上研究，而且在该分子的一个子部分上研究。通过移动STM尖端，我们可以精确地将亚纳米光点移动到分子上方的不同位置，并观察这如何影响反应速率

这种精度是可能的，因为我们的STM在超高真空中工作，这使我们的系统免受任何污染，并且在非常低的温度（几乎-270°；C）下工作，这样分子就不会在表面上移动

我们研究了一种称为互变异构化的反应，这是一种氢原子改变位置的特殊异构化形式。在我们研究中使用的酞菁分子的核心中，两个氢同时互变异构（见上图中的箭头）

我们通过在分子的不同部分上移动尖端（请参见动画）和更改用于照明的光的颜色来控制这些原子切换的频率。我们甚至可以检测酞菁发出的光，这使我们能够以原子级的精度对分子进行光学成像，并了解更多关于互变异构化机制的信息

我们的原子级光化学方法在未来非常有前景。人们可以很容易地想象使用这种策略来合成否则无法获得的分子。这可以通过移动作为原子级光源的尖端来实现，例如，一个接一个地仅对选定的分子亚基进行光聚合

这个故事是科学X对话的一部分，研究人员可以在这里报告他们发表的研究文章中的发现。有关ScienceX对话以及如何参与的信息，请访问此页面