基于单分子电学测量的反应动力学表征技术研究进展发表于《自然-通讯》

发布日期:2017-5-23     浏览次数:1883次    发布者:刘春英    

       5月22日,我院洪文晶教授课题组与丹麦哥本哈根大学、瑞士伯尔尼大学研究人员合作,在基于单分子电学测量的反应动力学表征技术方面取得重要进展,相关研究成果以“Single-molecule detection of dihydroazulene photo-thermal reaction using break junction technique”为题发表在《自然-通讯》(Nature Communications, 2017, 8, 15436; DOI: 10.1038/ncomms15436)。

       基于隧穿机制的电输运是物质世界的基本过程之一。在单分子尺度,分子结构的细微变化足以导致电学性质的显著区别,这也使通过单分子电学检测方法研究化学反应过程成为可能。在这一研究工作中,课题组将通常用于单分子电学测量的裂结技术用于单分子尺度反应动力学的表征。实验中采用了在太阳能能量存储和光致变色领域有重要应用的Dihydroazulene/Vinylheptafulvene (DHA/VHF)分子作为模型研究体系,通过对单分子事件的统计分析,定量表征了DHA光热反应的动力学过程并分析了反应产物。结合理论模拟,研究人员发现在单分子结的限域空间中,化学反应的动力学和热力学过程与宏观反应体系存在显著区别。这一工作也为未来的合成化学和化学工程研究提供了一种新思路,即通过纳米技术构造反应微环境,可以实现化学反应速率、产物和产率的优化。

                                   

       该研究工作是在洪文晶教授和丹麦哥本哈根大学Mogens B. Nielsen教授的共同指导下,通过跨学科的国际合作所完成的。其中洪文晶教授课题组负责该研究工作的实验表征和统计分析,丹麦哥本哈根大学Mogens B. Nielsen教授课题组负责分子体系的合成,Kurt V. Mikkelsen教授和Gemma C. Solomon教授课题组分别负责了该研究工作的反应动力学和电输运理论计算,这也是洪文晶教授课题组与上述研究团队的首次科研合作。我校萨本栋微纳研究院的杨扬助理教授也参与了数据分析和机理讨论的部分工作。

       洪文晶教授课题组长期致力于单分子尺度下的化学反应、分子组装、分子器件电输运等方面的相关研究,开发了一系列能够在单分子尺度实现精密控制和精确测量的科学仪器。以此为基础,课题组与国内外材料化学和理论研究团队密切合作,在单分子尺度电输运的量子干涉效应、电化学调控和化学反应表征等领域进行了一系列探索。在2015年底全职加入我院化学工程与生物工程系之后,课题组已陆续取得一系列研究成果,例如与中科院化学所张德清研究员合作,实现了对单个萘酰亚胺分子多个氧化还原态的电化学调控(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54(46): 13586);与中科院化学所王栋研究员、钟羽武研究员合作,实现了基于四重氢键的超分子器件构筑及电学性质表征(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(40): 12393);与英国兰卡斯特大学Colin Lambert教授、瑞士伯尔尼大学柳世霞博士合作,通过杂原子的引入,实现了单分子电输运中量子干涉效应的有效调控(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56(1): 173)等。

       上述研究工作得到了国家“千人计划”青年项目、国家自然科学基金(21673195,21503179)、固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心(2011-iChEM)的大力资助与支持。

       论文链接:https://www.nature.com/articles/ncomms15436