科學家實現單分子多維度內稟參量精密測量

 中國科學技術大學單分子科學團隊侯建國、王兵、譚世倞等科研人員發展了多種掃描探針顯微成像聯用技術，實現對單分子在電、力、光等外場作用下不同內稟參量響應的精密測量，在單化學鍵精度上實現單分子多重特異性的綜合表征。相關成果2月19日發表于《科學》。審稿人認為，該技術將具有跨領域的影響力。

精確測定分子化學結構、識別其化學物種，一直是表面科學的核心問題。即使在單個分子層次上，分子結構、電子態及其激發態、化學鍵振動、反應動力學行為等多維度的內稟屬性，也均表現出顯著的特異性。針對分子多維度內稟參量的精密測量，是全局性和綜合性理解分子特異性的基礎，也是一個極具挑戰性的前沿問題。

過去40多年里，掃描隧道顯微術（STM）及其衍生出的多種高分辨的顯微成像技術，如q-Plus原子力顯微術（AFM），已經獲得1埃量級的空間分辨能力，但這些顯微技術缺乏化學識別能力。2013年，中國科學技術大學團隊利用針尖增強拉曼成像技術（TERS）首次實現亞納米級的化學識別，并于2019年將該技術空間分辨推進至1.5埃，為針對分子特異性的全局表征研究打下基礎。

該團隊發展了STM—AFM—TERS聯用技術，突破單一顯微成像技術的探測局限。他們利用這一高分辨的綜合表征技術，以并五苯分子及其衍生物為模型體系，結合電、力、光等不同相互作用，實現對電子態、化學鍵結構和振動態、化學反應等多維度內稟參量的精密測量。

實驗結果揭示了銀（110）表面吸附的并五苯分子轉化為不同衍生物的機理，其中納腔等離激元激發是導致特定吸附構型下C-H鍵選擇性斷裂的原因。在技術上，研究團隊通過集成高靈敏度的單光子計數器，把拉曼光譜的實空間成像速度提高兩個數量級，成功實現并五苯分子化學反應前后的動態跟蹤與測量。同時，他們結合理論計算，揭示了分子化學反應過程的機理，驗證了實驗觀測結果。

這一融合多維度表征技術策略有望為表面催化、表面合成和二維材料中的化學結構與物種識別，以及構效關系的構建提供可行的解決方案，在表面化學、多相催化等研究領域具有重要科學價值。（桂運安）