Only Perception: IBM 造出分子的「解析」影像

2009-08-30

IBM 造出分子的「解析」影像

Scientists Image the 'Anatomy' of a Molecule (w/ Video)
http://www.physorg.com/news170685108.html

By Lisa Zyga, August 28th, 2009

(PhysOrg.com) -- IBM 在瑞士蘇黎世的研究者首度取得單個分子的 3D 影像。利用一款原子力顯微鏡（AFM），研究者們首度建構出五苯（pentacene，一種有機分子，直徑只有 1.4 奈米）的 "力圖（force map）" 。一如研究者的解釋，這項技術可粗略地類比為「一部 X 光機如何看透肌肉造出人體中骨骼的影像」。在此例中，科學家們能看透電子雲並且看見分子的原子骨幹。

為了創造出一幅影像，這款原子力顯微鏡使用一尖銳的金屬尖端來測量尖端與五苯分子之間的微弱力量。五苯是一種長橢圓形（oblong，譯註︰像壓扁的膠囊那樣）分子，由 22 個碳原子與 14 個氫原子構成，碳原子之間的間隔只有 0.14 奈米。在影像中，能看見五個六角形的碳環與氫原子的位置。

雖然研究者先前已造出原子的影像，但由於分子的脆弱性，使得拍攝它們更加困難。雖然像穿透式電子顯微鏡（TEM）能以電子轟炸材料以便看見原子，不過電子的炮轟卻摧毀了原子在分子中的排列。

為了克服這些挑戰，這些 IBM 研究者們，由 Leo Gross 所領導，修改了原子力顯微鏡的技術。該團隊使用一個具有一氧化碳分子的尖端，維持在這個分子上方 0.4 mm 處，以平衡發生在這個微小範圍內的各方力量。雖然具吸引力的凡德瓦力（van der Waals force）試圖將微型尖端與分子拉在一起，不過一種基於庖利不相容原理（Pauli exclusion principle）的量子力學效應排斥五苯周圍與一氧化碳分子周圍的電子。

藉由測量尖端在每一點的斥力，研究者們能建構出該分子的 "力圖"。為了達到顯著細節，研究者們為了 20 小時的資料取得聚焦在這款顯微鏡上，在非常低的溫度（5 K）下運作一套超高真空。

如同 IBM 在新聞稿中的聲明，這些結果在最小的尺度下推動了利用分子與原子的探索，且能大幅衝擊奈米技術領域。

"掃描式探針技術在原子尺度下，為複雜功能性結構的原型化（prototyping）、剪裁（tailoring）以及為了研究其電子及化學特性上，提供了驚人的潛力，" IBM 研究者 Gerhard Meyer 表示。

例如，這項技術能為更強大的電腦開啟大門，其元件由精確定位的原子及分子構成。研究者也能在分子層級的活動上獲得洞見，例如催化劑在反應中的作用，以及當分子的電荷改變時，分子的幾何學如何改變。"這些突破將為電荷如何透過分子或分子的網路傳輸的研究開啟新的可能性，" IBM 表示。 "了解原子尺度下電荷的分布，對於建構比今日處理器與許多記憶裝置還要更小、更快與更節能的運算元件，不可或缺。"

※ 相關報導︰

＊ The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/325/5944/1110

Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll, Peter Liljeroth,
Gerhard Meyer
Science 28 August 2009: Vol. 325. no. 5944, pp. 1110 - 1114
doi: 10.1126/science.1176210

... We demonstrate imaging of molecules with unprecedented atomic resolution by probing the short-range chemical forces with use of noncontact atomic force microscopy. The key step is functionalizing the microscope's tip apex with suitable, atomically well-defined terminations, such as CO molecules. Our experimental findings are corroborated by ab initio density functional theory calculations. Comparison with theory shows that Pauli repulsion is the source of the atomic resolution, whereas van der Waals and electrostatic forces only add a diffuse attractive background.