物理学家向控制单分子化学反应又迈进了一步

得益于巴斯大学物理学家领导的国际科学家团队的纳米技术研究，在原子水平上控制物质迈出了重要一步

这一进步对基础科学理解具有深远的影响。它也可能有重要的实际应用，例如改变研究人员开发新药的方式

控制单结果单分子反应现在几乎是世界各地研究实验室的常规操作。例如，十多年前，科技巨头IBM的研究人员通过制作世界上最小的电影《一个男孩和他的原子》展示了他们操纵单个原子的能力。在这部电影中，由两个结合在一起的原子组成的单个分子被放大了1亿倍，并逐帧定位，以在原子尺度上讲述一个定格的故事

例如，在药物合成过程中，一个导致“环化”的化学过程会产生所需的治疗化合物，而另一个结果“聚合”会产生不需要的副产物

能够精确控制反应以实现预期结果并减少不需要的副产品，有望提高制药过程的效率和可持续性

传统显微镜使用光和透镜来放大标本，使我们能够用肉眼或相机观察它们。然而，当涉及到原子和分子时，它们甚至比可见光的最短波长还小，传统的方法就无法满足要求

为了探索这些微小的领域，科学家们求助于扫描隧道显微镜，它的工作原理很像录音机

扫描隧道显微镜的尖端可以像单个原子一样精细，可以在材料表面移动，测量电流等特性来绘制每个点。然而，与像录音机指针那样将尖端压入表面不同，尖端在其上方仅悬停一个原子的宽度。

当连接到电源时，电子沿着尖端向下移动，在原子大小的间隙中实现量子跃迁。尖端越靠近表面，电流就越强；它越远，水流就越弱

尖端距离和电流之间的这种明确关系使显微镜能够根据电流强度测量和绘制原子或分子的表面。当尖端扫过表面时，它会建立一个精确的、逐行的表面图像，揭示传统光学显微镜看不到的细节

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利用扫描隧道显微镜的原子精度，科学家们不仅可以绘制分子表面，还可以重新定位单个原子和分子，影响和测量单个分子中特定反应途径的可能性

在解释时，物理系领导这项研究的Kristina Rusimova博士说：“通常，STM技术被用来重新定位单个原子和分子，实现有针对性的化学相互作用，但指导具有竞争结果的反应的能力仍然是一个挑战。这些不同的结果以一定的概率发生，受量子力学的支配，就像滚动分子模具一样。

”我们的最新研究表明，STM可以通过有针对性地注入能量来选择性地操纵电荷态和特定共振，从而控制反应结果的概率。

物理系高级讲师、该研究的合著者Peter Sloan博士说：“我们使用STM尖端将电子注入甲苯分子中，促使化学键断裂，并转移到附近的位点或解吸。”

“我们发现，这两种结果的比例是由注入的电子的能量控制的。这种能量依赖性使我们能够通过精确的能量阈值和分子势垒引导的中间分子态的有针对性的‘加热’来控制每种反应结果的概率。”

该研究出版物的第一作者、物理学博士生Pieter Keenan说：“这里的关键是保持测试反应的相同初始条件——匹配精确的注入位点和激发状态——然后仅根据注入电子的能量来改变结果。

”在单个分子对能量输入的反应中，不同的反应势垒驱动反应结果。概率。只改变能量输入可以让我们以高精度使反应结果比另一个更有可能——这样我们就可以“加载分子骰子”德国波茨坦大学的Tillmann Klamroth教授补充道：“这项研究将先进的理论建模与实验精度相结合，基于分子能量景观对反应的概率有了开创性的理解。这为纳米技术的进一步发展铺平了道路。展望未来，Rusimova博士说：“随着基础科学和应用科学的应用，这一进步代表着向完全可编程分子系统迈出的重要一步。我们预计这样的技术将开启分子制造的新领域，为医学、清洁能源等领域的创新打开大门。p