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标  题: [转寄] 就我国摄得世界首张分子化学键图像访朱清时院士(转载)
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标  题: 就我国摄得世界首张分子化学键图像访朱清时院士
发信站: 南大小百合 (Wed Feb 21 03:18:27 2001) , 转信

就我国摄得世界首张分子化学键图像访朱清时院士
 

郑千里

    中国科技大学的科研人员利用扫描隧道显微镜，在国际上首次直接拍摄到了
能够分辨出化学键的碳—60单分子图像，这种单分子直接成像技术为解析分子内
部结构提供了有效的手段，使科学家人工“组装”新物质分子成为可能。1月19日
出版的英国《自然》杂志发表了该校侯建国、杨金龙教授和朱清时院士的论文《
C60畴的二维拓扑学结构》（《TopologyoftwodimensionalC60domains》），介绍
了中国科技大学的这一研究成果。为此记者日前追踪访问了中国科技大学校长朱
清时院士。

    记者：如科普工作者所言，分子是由原子与原子通过化学键结合组成的，就
像用线将不同的布料缝制成衣服一样。要以旧衣服为材料制成新衣服，首先必须
将旧衣服上的线拆开，所以直接“看清”化学键，是进行分子“手术”的前提。
您能否介绍一下中国科技大学的这项研究成果的意义何在？在纳米研究领域里居
什么样的地位，起什么作用？

    朱清时：我们的该项研究包含两方面的成果：1．能够分辨碳－碳单键和双键
的C60单分子图像。C60作为一种全部由碳原子构成的团簇分子，具有独特的笼状
结构和稳定的物理化学性质，有极潜在应用价值，一直是科学家的研究热点。我
们利用STM在国际上首次“拍下”了能够分辨碳－碳单键和双键的分子图像。这种
单分子直接成像技术为确定团簇单分子的几何构型，以及探索其它有机分子的结
构和特性开辟了一个具有潜力的途径，特别为实现选键化学即对分子中的化学键
进行选择性加工，从而找出新型分子和分子器件打下了基础。2．发现了一种新的
分子取向畴结构。畴结构广泛存在于由不同种类和形态晶粒组成的组合体中。晶
粒与晶粒相交处称为畴界。畴界是影响宏观实际材料性能的重要因素之一，也是
构成微电子器件的基本组元之一。目前人们所发现的各种畴界都伴随着界面处的
缺陷或形变。利用这种直接成像技术，我们还首次发现二维C60点阵的一种新型取
向畴结构。该畴结构完全由C60分子取向的不同所引起，沿该畴界无结构缺陷或形
变存在，并且畴界两边的C60同时保持位置平移序和健取向序。这种新的分子取向
畴界的发现拓展了畴界的概念和人们对它的认识水平，并为进一步利用分子取向
设计和制备具有特殊性能的分子器件，如同质分子超晶格和分子高密度存储器等
提供了新的途径和思路。

    英国《自然》杂志的审稿人对我们的该项研究给予了高度的评价，认为：“
在该项工作中，作者们思路清晰地论述了一项构思巧妙、实验严谨的研究工作。
在低温时相邻的两个不同取向的二维畴，其整体的平动自由度和键取向自由度都
得到了保持，我相信这个发现是非常独特的。”由此可见这项成果是原始创新并
国际领先的。

    记者：作为一位院士，您一向倡导科学的思维方式，请问作出这一国际领先
的原始性创新成果您们克服了什么困难？用了什么科学思想与方法？

    朱清时：这项工作主要是由侯建国（负责实验）和杨金龙（负责理论）等青
年教授和研究生作的。

    利用扫描隧道显微镜对单分子成像的前提是要把特定分子置于一衬底表面上
，并且在成像过程中，分子不能有丝毫的漂移。最简单的方法是选择一种分子相
互作用很强的衬底，使分子底部的某个原子和衬底表面的原子形成某种化学键，
分子就被固定在特定位置上，但这样一来，分子的电子结构由于受到衬底的影响
而改变，就不可能观察到反映分子内部真正结构的图像。我们采用了一种巧妙的
方法，将C60分子组装在一单层有机分子膜的表面，隔绝了金属衬底对C60分子电
子结构的影响，并且在－268℃下，将分子的热运动冻结，从而为直接观察化学键
分辨率的C60单分子图像提供了可能。我们研究工作能够获得成功的另外一个关键
是理论与实验的紧密结合，在实验过程中，我们遇到很大困难，包括有机分子膜
的生长工艺和高分辨成像的条件控制，但根据我们的理论计算结果，判定国外科
学家未能得到最高分辨率图像的原因是由于未掌握最佳的实验条件，而不是扫描
隧道显微镜本身的分辨率限制，因此坚持寻找最佳的实验条件，最终获得成功。

    记者：有消息称，您们首次发现了C60分子在平面上排列时呈现出一种独特的
性状。利用这一性状，甚至可能使今后计算机器件的集成度在目前的水平上提高
100至1000倍；您们的这一成果表明我国在纳米结构表征领域的研究已步入世界先
进水平。请问围绕和延续这一成果，您和同事还想继续开展一些什么工作？

    朱清时：物质是由原子和分子组成的，原子的组成方式决定了物质的性质，
如果能够随心所欲地控制和操纵单个原子，我们就有可能将煤变成金刚石；将砂
子（加上某些特点元素）变成计算机中所用的芯片；利用粉尘、水和空气制造出
土豆来。扫描隧道显微镜（STM）为科学家提供了一种前所未有的直接观察和控制
单原子、单分子的手段，从而从根本上改变了人类对纳米世界的认识水平。

    控制和操纵功能单分子，设计和构造各种新的物质、纳米结构和分子功能器
件，需要解决几个关键问题：1、一种方便、可靠的操纵单分子的技术手段；2、
确认分子在特定吸附位置的特定取向，由于功能分子一般具有复杂的三维结构，
它们相对于固体表面的吸附取向决定了该吸附体系的物理和化学性质；3、寻找有
效的控制分子取向和组装的方法，甚至进行“分子手术”，对分子进行“剪裁”
和加工，人工制造出新的分子。

    几年来，我们通过学科交叉、理论和实验相结合，迅速形成了一个研究单分
子物理化学的优秀团队，并且在上述前两个问题的研究取得了相当大的进展。我
们将继续发挥团队的综合优势，在相对落后的设备条件下，争取在单分子操纵和
构造新的分子和纳米结构方面获得进展




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离开南园的日子，
慢慢地
      越来越近了！
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