冷冻CO针头STM技术实现观察分子中原子和化学键准确位置

　　华威大学和卡迪夫大学的研究人员使用一根针尖带有单一一氧化碳分子并冷冻至零下266摄氏度的的超薄、尖锐针头，识别并绘制了材料表面上每个分子键的位置

　　· 这项扫描隧道显微（STM）技术的精确度非常高，以至于可以在原子水平上测量由泡利不相容原理引起的电阻变异，而这不仅可以区分卤键和氢键，还可以精确显现和绘制它们在材料中的实际位置

　　· 我们可以使用这项技术来确定分子中原子的位置，因此这可作为强有力的质控机制用于识别材料中的杂质

　　· 这不仅可以帮助生产许多新材料（尤其是药品），还可以确保材料纯度高于以往

　　在华威大学化学工作者开展的研究项目中，研究人员首先使用超高分辨率扫描隧道显微术来观察分子中原子和化学键的准确位置，然后采用这些极为精确的图像来确定使分子之间键合的相互作用。

　　凭借一根冷冻至7开氏度（零下266摄氏度）且针尖带有一氧化碳的超锐针头，研究人员便可以识别出键是氢键还是卤键，并且他们还能发现这些材料中的微小缺陷。这些成果可能对生产纯度更高的新药有极大帮助。

　　研究人员在放于金表面的溴化多环芳族分子上对比了标准STM与超高分辨率STM。他们能够证明标准STM测量无法最终确定分子间相互作用的性质，但新技术可以明确识别碳环和卤素原子的位置，从而确定分子是通过卤键进行组装。

　　他们的研究于今日（即2020年4月30日）发表在Nature Communications《自然通讯》中题为“Combining high-resolution scanning tunnelling microscopy and first-principles simulations to identify halogen bonding”（联用高分辨率扫描隧道显微术和第一性原理模拟来识别卤键）的论文内。

　　论文的首席研究员之一，华威大学化学系教授Giovanni Costantini 表示：

　　“著名物理学家Richard Feynman曾说过，分析任何复杂化学物质的最简单方法是‘仔细观察并找出原子的位置”；一直以来，我们所用的技术就是一种找出原子位置的方法。

　　“扫描隧道显微术（STM）通常只能显示材料中分子的整体形状和位置，不过，该技术的精确度无法达到可确定具体原子结构的水准。

　　“然而，凭借超高分辨率STM，我们可以精准确定碳环和卤素原子的位置，从而确定这种材料的分子组装依赖的是卤键而不是氢键。

　　“通过严格遵循Richard Feynman的“只需仔细观察”忠告，清楚观察分子内原子的实际位置可以使我们推断出分子间键合的位置和性质。

　　“这一点得到了理论计算的支持，而这些理论计算揭示了经国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）确认可以识别卤键特性的一些电子特征。我们相信，使用这种方法可以迅速而明确地阐明过去几十年来文献中讨论过的大部分棘手或有争议的分子结构，并且我们预测这种方法在表面分子纳米科学中的应用将日益广泛。”

　　论文的另一位首席研究员，来自华威大学化学系的助理教授Gabriele Sosso也指出：

　　“辨别并真正清楚地识别卤键位置的能力对尝试理解生物分子识别并设计新药的研究人员具有特殊价值。

　　“事实上，到目前为止，大多数医药化学都专注于氢键的作用，因为氢键在生物化学和材料科学中普遍存在：因此，了解卤键将为设计下一代药物设计用分子系统提供额外的工具。

　　“为此，正如我们在这项工作中所做的那样，我们必须将实验和模拟结合在一起，才能综合全面地描述这种在很大程度上仍有待探索的分子相互作用。”