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物理所揭示手性分子吸附诱发晶体表面手性再构的微观机制

物理所揭示手性分子吸附诱发晶体表面手性再构的微观机制

  手性分子由于其在异质催化、非线性光学和液晶平板显示等方面的潜在应用价值一直是相关领域备受关注的研究热点。与传统的三维空间的手性相比较,二维表面分子体系由于空间的限制,许多三维空间不具备手性的分子也表现出手性特征。因此,通过研究固体表面上功能分子组装中分子结构的手性可以在微观尺度上研究分子的各种手性结构和演化现象。

  近年来,中国科学院物理研究所纳米实验室高鸿钧研究组在二维表面分子体系手性结构及其衍化机制等方面取得了一系列进展。2010年在多种金属单晶表面实现了喹吖啶酮分子(QA)及其衍生物的手性识别和结构调控(Langmuir 2010, 26, 3402)。同年,他们提出了手性取代的微观机幸运飞艇制,通过控制同质手性相与异质手性相的沉积量单晶Au(111)表面实现了QA16C分子的手性识别和相变过程(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 10440)。

  生物分子往往具有手性。在生物矿化过程中,无机矿物的形貌通常受到生物分子的精细调控,生物矿物也呈现手性。但是,关于生物分子如何控制生物矿物形核生长最终将分子手性引入到生物矿物中,这一过程在原子/分子尺度是如何进行的至今仍不清楚。最近,该研究组的副研究员肖文德、博士张余洋与国外合作者一起,利用扫描隧道显微镜(STM)的空间分辨能力,结合光电子衍射(XPD)和密度泛函理论(DFT)的计算,在原子/分子尺度揭示了具有手性的hemifullerene分子是如何通过吸附诱导其附近的无手性的铜表面原子重新排列成手性结构的机制。

  实验中,将hemifullerene分子——一种具有手性的碗状芳香分子,其分子结构对应半个C60分子(图1),在室温下沉积到Cu(110)表面后,STM图像显示hemifullerene分子在Cu(110)表面有两种吸附构型。表观高度较低的分子基底作用较弱,并以分散的单分子形式吸附在平整的台面上;表观高度较高的分子基底作用较强,规则地排列在台阶处,导致原本平整的台阶变成了锯齿形。此外,hemifullerene分子可吸附在Cu(110)表面的增原子岛边缘,或形成双分子链(图1)。锯齿形台阶的相邻片段、增原子岛边缘以及双分子链,分别平行于Cu(110)表面的[-33-4]或[-334] 方向(图1),而沿着这两个方向的台阶具有手性的扭折(kink)(图2)。通过XPD测量并结合DFT计算,发现Cu(110)表面发生手性再构的物理根源是:幸运飞艇具有手性的hemifullerene分子吸附在Cu(110)表面发生手性识别,并且这种手性识别可用经典的三点接触模型描述(图2)。

  这一结果对生物矿化产生手性过程的理解及手性材料的可控制备具有一定的指导意义。相关结果发表在《自然-化学》(Nature Chem. 8, 326 (2016))上。

  论文链接:1 2 3

 

    图1. hemifullerene分子在Cu(110)表面吸附,导致锯齿形台阶、增原子岛和双分子链的形成。锯齿形台阶的相邻片段、增原子岛边缘以及双分子链均平行于Cu(110)表面[-33-4]或[-334] 方向。

图2. hemifullerene分子吸附诱导Cu(110)表面发生手性再构的物理机制。




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