IBM科学家用探针首次「堆积」出新型分子,或用于量子计算

这种名为 triangulene 的不稳定分子无法通过正常化学方式合成,所以 IBM 的研究人员们使用显微镜进行了一次「分子手术」。

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基于铜表面上的分子扫描—探针—显微镜图像的 triangulene 3D 模拟


IBM 的研究人员通过使用显微镜的针状尖端敲击原子构建了一个难以捉摸的分子。这种平面、三角形的碳原子网格被称为 triangulene,它非常不稳定,目前还无法通过常规的化学方法生产,但或许可以为半导体行业打开一扇新的大门。


这并不是人们第一次使用原子操作来尝试生成无法大量生产的不稳定分子,但这次的研究结果大有希望。「Triangulene 是第一个用手动堆积的方式制备出的一种化学家们无法制造的分子。」IBM 苏黎世实验室的负责人 Leo Gross 说道。


「Tringuelene 验证了一种新的化学合成方式,」在诺丁汉大学同样从事分子操作的科学家 Philip Moriarty 说道。「在常规合成方法中,化学家让分子互相反应以构建更大的结构,而 IBM 研究者的方法与之相反,他们使用显微镜对原子进行物理操作。」


当然,这种制造分子的方法每次只能完成一个产品,只能应用于特殊情况。而且由于方法所限,它显然不能用于制造复杂结构的分子——因为某些分子中的原子数量太多了。


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不稳定三角


Triangulene 类似于石墨烯的碎片,后者是一种原子级厚度的超级材料,其中碳原子以六边形网格的形式互相连接。新分子由六个六边形的碳环组成,它们互相连接形成一个三角形,其周围还有氢原子(参考上图「Radical triangle」)。另外,其中两个外部碳原子包含不成对的电子,这意味着它们不能形成稳定的键。


这种分子是高度不稳定的,因为其中不成对的电子倾向于与它们周围的任何物质发生反应。「每次我们和成了它,它很快就会被氧化掉,」IBM 团队的 Niko Pavliček 表示。目前为止,最接近这种分子的常规合成产物在这种形状的不稳定边缘上附着有大体积烃。


在研究中,IBM 团队使用了扫描探针显微镜,顾名思义,它使用一个非常尖的针头来「感觉」被观测物的形状。这种显微镜可以通过测量尖端和样品之间的吸引力或在它们之间通过的电流来进行分子成像。IBM 的团队通过实验证明,如果探针尖端连接着一氧化碳分子,力显微技术可以对探测到的东西进行完美的成像——就像你在化学书上看到的球棒模型一样。


在进一步的探索中,Gross 和他的团队展示了这种显微镜可以被用来控制化学反应的过程,并制造出不稳定的「中间物」分子。为了制造 triangulene,该团队首先制造了前体分子 dihydrotriangulene,它缺少易反应的未成对电子。这种前体曾被英国华威大学的化学家发现。


研究人员们把 dihydrotriangulene 置于一个平面上——盐、固态氙或铜上都可以——随后在显微镜下观察他们。然后,他们使用探针尖端的两个连续电脉冲小心地在分子上方放电,以激活两个氢原子,产生不成对的电子,这项研究已被发表在Nature Nanotechnology 上。


随后,该团队使用显微成像技术先拾取一个一氧化碳分子以获得高分辨率。显微镜获得的图像可以显示出 triangulene 具有对称性的形状。在高真空,低温的实验环境下,他们生产的分子可以在被观察到前保持足够长的时间不被氧化。


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IBM 科学家 Leo Gross(左)领导了 triangulene 的研究,图右是团队成员 Niko Pavliček


量子应用


「据我所知,这是未取代 triangulene 的第一次合成,」大阪市立大学的科学家工位武治(Takeji Takui)说道,他此前曾经合成过 triangulene 类的其他分子。


Moriarty 认为这项研究非常优雅,而且令人惊讶的是人工合成的三角体在铜的表面上保持稳定,他原本认为它会与金属产生反应。「在几次实验中,」Pavliček 说道。「这些分子在研究人员制造完成后的第四天仍然保持完好。」


此外,研究人员还探究了 triangulene 的磁性。他们发现正如此前预测的,两个不成对的电子具有排列自旋的性质——这种量子力学性质为电子带来了磁定向。


IBM 的研究者与工位武治都认为这种特性或许可以让 triangulene 应用于未来的电子产品中。后者更是认为这种新型分子可以在量子计算,量子信息处理和被称作自旋电子学的领域中获得应用,这些量子设备可以操纵电子自旋以编码及处理信息。


然而,目前一次制造一个分子的速度看起来还不是很有前途,但 Gross 指出目前的量子计算机,如 IBM 的 Quantum Experience 都只能使用数十个量子比特(qubit),其中的每个量子比特对应一个分子。「即使你需要手工制作 100 个这样的分子,」Gross 解释道。「目前看来都是经济上可行的。」


同时,即使尚不清楚这种扫描探针技术在不平坦的微观平面上表现如何,研究人员宣称它已经可以一定程度地操纵 3D 结构的分子了。


「即使仅仅把 triangulene 看做是石墨烯的一部分,这个发现也已为未来的科学研究打开了一扇大门,」Moriarty 说道。「IBM 的研究团队或许会进一步引领这一方向的研究。」


来源:http://www.nature.com/news/elusive-triangulene-created-by-moving-atoms-one-at-a-time-1.21462

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