Chemistry 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Chemistry
标  题: “分子手术”技术在现代化学中的应用(zz)
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jun 12 20:06:49 2003)

以下中文转贴自Life Science
现代化学中的一个主要目标是对化学反应进行主动控制。对分子振动进行选择性激发、


以有利于某一特定的反应结果通常需要用激光脉冲照射大量分子。在单分子水平上，可


以通过用“扫描隧道显微镜”（STM）来注射无弹性隧道效应电子来实现这种模式选择性



化学反应。现在，这种“分子手术”技术被用来在一种表面上诱发单个氨分子（NH3）的



受控运动∶让STM在正确选择的电流和能量下工作，所注射的电子会激发振动状态，后者


标  题: “分子手术”技术在现代化学中的应用(zz)
发信站: 南京大学小百合站 (Sun Jun  1 21:15:59 2003)


发信人: Woodchuckle (浅薄的木耳※不绝如缕), 信区: DCS
标  题: “分子手术”技术在现代化学中的应用(zz)
发信站: BBS 水木清华站 (Sat May 31 01:04:16 2003)


以下中文转贴自Life Science
现代化学中的一个主要目标是对化学反应进行主动控制。对分子振动进行选择性激发、


以有利于某一特定的反应结果通常需要用激光脉冲照射大量分子。在单分子水平上，可


以通过用“扫描隧道显微镜”（STM）来注射无弹性隧道效应电子来实现这种模式选择性



化学反应。现在，这种“分子手术”技术被用来在一种表面上诱发单个氨分子（NH3）的



受控运动∶让STM在正确选择的电流和能量下工作，所注射的电子会激发振动状态，后者



会诱发氨分子沿表面横向运动，或诱发其解吸附。该结果显示了STM将振动能聚焦在一个



所选择的坐标上的力量，这是对决定化学反应路径的化学键断裂过程进行准确控制的重


要一步。

原文如下
Nature 423, 488 - 489 (2003); doi:10.1038/423488a

Chemistry: Tips for moving single molecules
DENNIS C. JACOBS

Dennis C. Jacobs is in the Department of Chemistry and Biochemistry, Universit


y of Notre Dame, Notre Dame, Indiana 46556, USA.
e-mail: jacobs.2@nd.edu

Scanning tunnelling microscopes provide a unique perspective on chemistry at t


he level of single molecules. Now there is a new way of using the tip of such


a microscope to manipulate a single molecule.

In nature, reactants can be transformed into products through a vast array of


mechanisms. In synthetic chemistry, progress hinges on finding a way to maximi


ze the yield of the desired target molecule while minimizing the generation of


 unwanted by-products. In the same way that a golfer anticipates the terrain o


f the green when putting, chemists aim to control the chemical dynamics of a r


eaction, guiding the participating molecules along a specific path. On page 52


5 of this issue, Pascual et al.1 demonstrate how a scanning tunnelling microsc


ope can be used to control the excitations of a single molecule and achieve a


desired reaction path.

Most chemical reactions require that some of the existing bonds within the rea


ctants are weakened or broken before new bonds can form. This means that the r


eactants must receive a critical amount of energy from their surroundings to b


egin their metamorphosis. Raising the temperature of the sample is a relativel


y inefficient way of doing this, because fluctuations due to thermal energy ar


e typically ten to a hundred times smaller than the activation energy for a re


action. Furthermore, under thermal conditions, the energy is distributed over


many types of molecular motion — translational, rotational or vibrational, fo


r example — whereas usually only one specific type of motion (such as a vibra


tional stretch) is associated with crossing over the reaction barrier.

So a more controlled approach is needed. In 1991, Bronikowski et al.2 showed t


hat stretching vibrations could be excited between the atoms in molecules of d


ctants are weakened or broken before new bonds can form. This means that the r


eactants must receive a critical amount of energy from their surroundings to b


egin their metamorphosis. Raising the temperature of the sample is a relativel


y inefficient way of doing this, because fluctuations due to thermal energy ar


e typically ten to a hundred times smaller than the activation energy for a re


action. Furthermore, under thermal conditions, the energy is distributed over


many types of molecular motion — translational, rotational or vibrational, fo


r example — whereas usually only one specific type of motion (such as a vibra


tional stretch) is associated with crossing over the reaction barrier.

So a more controlled approach is needed. In 1991, Bronikowski et al.2 showed t


hat stretching vibrations could be excited between the atoms in molecules of d


s in the molecule's local environment that could not be seen in the data recor


ded for an analogous bulk sample.

Another line of approach in single-molecule spectroscopy involves the scanning


 tunnelling microscope (STM), invented in the 1980s by Binnig and Rohrer. An i


mmense collection of solid-surface images has since been produced by STMs, wit


h sufficient resolution to reveal the atomic and molecular adsorbates that mig


ht decorate a surface. Then in 1998, Stipe et al.4 made the remarkable discove


ry that the current flowing from the tip of an STM can selectively excite diff


erent modes of vibration in a lone molecule that is bonded onto a surface.

Other investigations have shown that an STM tip can be manipulated to translat


e or rotate5, or fragment6, an atom or molecule bonded to a surface — or even


s in the molecule's local environment that could not be seen in the data recor


ded for an analogous bulk sample.

Another line of approach in single-molecule spectroscopy involves the scanning


 tunnelling microscope (STM), invented in the 1980s by Binnig and Rohrer. An i


mmense collection of solid-surface images has since been produced by STMs, wit


h sufficient resolution to reveal the atomic and molecular adsorbates that mig


ht decorate a surface. Then in 1998, Stipe et al.4 made the remarkable discove


ry that the current flowing from the tip of an STM can selectively excite diff


erent modes of vibration in a lone molecule that is bonded onto a surface.

Other investigations have shown that an STM tip can be manipulated to translat


e or rotate5, or fragment6, an atom or molecule bonded to a surface — or even


 to eject it from the surface7 (desorption). An STM tip can be used to force t


wo molecules to dissociate, and the resulting fragments can be rearranged and


fused together to form a new product molecule8. In each of these cases, howeve


r, the STM tip has served either as an atomic-scale poker to push a molecule p


hysically across the surface or as a localized heater (through electron bombar


dment) for inducing non-selective thermal excitations.

Pascual et al.1 now demonstrate another way in which the STM can control the b


ehaviour of a molecule on a surface. They use an STM tip to selectively excite


 vibrational modes in an ammonia molecule (NH3) as a way to sever the chemical


 bond between NH3 and a copper surface, or alternatively to induce the molecul


e to move laterally across the surface (Fig. 1). The reaction outcome is contr


 to eject it from the surface7 (desorption). An STM tip can be used to force t


wo molecules to dissociate, and the resulting fragments can be rearranged and


fused together to form a new product molecule8. In each of these cases, howeve


r, the STM tip has served either as an atomic-scale poker to push a molecule p


hysically across the surface or as a localized heater (through electron bombar


dment) for inducing non-selective thermal excitations.

Pascual et al.1 now demonstrate another way in which the STM can control the b


ehaviour of a molecule on a surface. They use an STM tip to selectively excite


 vibrational modes in an ammonia molecule (NH3) as a way to sever the chemical


 bond between NH3 and a copper surface, or alternatively to induce the molecul


e to move laterally across the surface (Fig. 1). The reaction outcome is contr


olled simply by selecting the tip voltage and thereby setting the energy of th


e tunnelling electrons to a value that will resonantly excite the preferred vi


brational mode. Of the two modes investigated, the first is a stretching, or '


breathing', mode in which all three N–H bonds are symmetrically stretched and


 compressed, the second a bending mode that resembles an umbrella inverting on


 a windy day. Most of the excited molecules relax quickly by transferring thei


r energy to the copper lattice, but some convert their vibrational motion into


 translational motion. Specifically, excitation of the umbrella mode tends to


desorb the molecule, intact, from the surface; the symmetric breathing mode pr

eferentia
lly induces lateral translation of the molecule across the surface.

This pioneering experiment not only reveals how competing reaction mechanisms

6. Stipe, B. C. et al. Phys. Rev. Lett. 78, 4410-4413 (1997). | Article | Chem


Port |
7. Shen, T.-C. et al. Science 268, 1590-1592 (1995). | ChemPort |
8. Hla, S.-W., Bartels, L., Meyer, G. & Rieder, K.-H. Phys. Rev. Lett. 85, 277


7-2780 (2000). | Article | PubMed | ChemPort |

Figure 1 Moving molecules. Energetic electrons emerging (a) from the tip of a


scanning tunnelling microscope (STM) can selectively excite a specific vibrati


onal mode within a molecule. For an ammonia molecule (NH3) adsorbed on a coppe


r surface, electrons with an energy of 420 millielectronvolts excite a 'stretc


h' mode (b), causing the molecule to be translated along the surface. If the e


lectron energy is 320 millielectronvolts, the 'umbrella' mode (c) is excited i


nstead, and this flexing of the hydrogen–nitrogen bonds — similar to an umbr


6. Stipe, B. C. et al. Phys. Rev. Lett. 78, 4410-4413 (1997). | Article | Chem


Port |
7. Shen, T.-C. et al. Science 268, 1590-1592 (1995). | ChemPort |
8. Hla, S.-W., Bartels, L., Meyer, G. & Rieder, K.-H. Phys. Rev. Lett. 85, 277


7-2780 (2000). | Article | PubMed | ChemPort |

Figure 1 Moving molecules. Energetic electrons emerging (a) from the tip of a


scanning tunnelling microscope (STM) can selectively excite a specific vibrati


onal mode within a molecule. For an ammonia molecule (NH3) adsorbed on a coppe


r surface, electrons with an energy of 420 millielectronvolts excite a 'stretc


h' mode (b), causing the molecule to be translated along the surface. If the e


lectron energy is 320 millielectronvolts, the 'umbrella' mode (c) is excited i


nstead, and this flexing of the hydrogen–nitrogen bonds — similar to an umbr


ella turning inside out — results in desorption of the molecule from the copp


er surface.



※ 来源:·BBS 水木清华站 http://smth.org·[FROM: 140.251.13.108]

图片:http://bbs1.nju.edu.cn/file/423488a-f1_1_.2

--
╔═══════════════════╗
║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
╚═══════════════════╝

※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.86]