扫描探针，实现碳纳米结构精准“缝制”

文|陈根

纳米科技是在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，并且利用这些特性制造具有特定功能的产品，实现生产力方式飞跃的一个新兴科学。纳米科技的不断成长与以扫描探针显微术（SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段密不可分。

SPM不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率来确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且具有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。但是要实现表面上自由移动和拼接不同分子仍然是一项挑战。

近日，德国吉森大学应用物理学院的研究人员开发了一种利用扫描探针操纵有机分子自身/交叉偶联，并在单键水平上精准构筑共价有机纳米结构的通用方法，为合成难以捉摸的共价纳米结构、研究结构修饰和揭示分子间反应途径铺平了道路。

实验中，研究人员提出了一种万能的方法，用原子力显微镜的尖端在Cu(111)上的双层氯化钠(NaCl)薄膜上一块一块地构建这样的结构，同时用单键分辨率跟踪结构变化。通过卤化前体的脱卤、翻译和分子间偶联，选择性合成了具有顺、反构型的共价同型二聚体和homo-/杂三聚体。进一步的结构构建演示包括复杂的键序，如碳-碘-碳键和融合碳五边形。

具体来说，研究人员采用碘单取代三亚苯（IT）来验证该针尖诱导偶联反应方法的可行性和可控性。然后通过选取具有相同或不同表面手性的IT分子，选择性生成反式或顺式结构。

为了证明该操纵方法同样适用于构建可拓展的分子结构，研究人员进而采用溴双取代芘（DBP）作为前驱体分子，并且三聚体两端的自由基允许继续拓展该结构。在此基础上，又使用更高的偏压成功诱导连接处分子骨架的重排，形成了并五元环结构，表明构建和编辑分子间复杂共价接触的可能。

最后，由于IT分子的表面手性，两种互为平面镜像的TPP三聚体被合成出来，再利用扫描探针可控地操纵有机分子的活化、聚集和偶联反应全过程，实现了相同或不同分子间选择性共价组装，并能编辑分子间的连接方式。

未来通过扫描探针技术与人工智能技术的融合，有望实现复杂分子器件的自动化原子制造。