原子力顯微鏡能剖析三維分子影像
- 上線日期：2009/10/9 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
IBM在瑞士蘇黎世的科學家首度利用原子力顯微鏡(AFM)取得單個分子的3D影像。這項技術能像X光機穿透肌肉拍攝骨骼影像般，看透電子雲並觀察到分子的「原子骨幹」，並讓科學家建構出直徑只有1.4 nm的有機分子五苯(pentacene)的「力圖」(force map)。
五苯是長橢球狀分子，由22個碳與14個氫原子構成，碳原子的間距只有0.14 nm。科學家使用具有金屬針尖的原子力顯微鏡，藉由測量針尖與五苯分子之間的微弱作用力製造出影像。影像清楚呈現五個六角形碳環與氫原子的位置。
雖然科學家已經拍攝到原子影像，但分子由於比較脆弱反而不易拍攝。例如穿透式電子顯微鏡(TEM)可藉由電子轟擊材料來觀察原子，但電子轟擊卻會摧毀分子中的原子排列。為克服此困難，由Leo Gross領導的IBM團隊修改了原子力顯微鏡技術，他們採用帶有一氧化碳分子的針尖，並將高度維持在這個五苯分子上方0.4 mm處，以平衡此微小範圍內的各種作用力。
針尖與分子間的凡德瓦力(van der Waals force)會使它們彼此相吸，但庖利不相容原理(Pauli exclusion principle)產生的量子力學效應卻會使五苯與一氧化碳的電子雲彼此相斥。藉由測量針尖在每一點的斥力，便可建構出該分子的力圖。為了得到細節，研究人員在5K的低溫及超高真空下，以AFM擷取20小時的數據。
IBM的Gerhard Meyer表示，掃描式探針技術在製作原子級複雜功能性結構的原型、裁製及研究其電子與化學性質，提供了驚人的潛力。這項技術能讓科學家深入了解分子層級的活動，例如催化劑在反應中的作用，以及當分子的電荷改變時其形貌如何變化。IBM表示，這項突破讓科學家得以研究電荷如何透過分子或分子網路傳輸，而了解原子尺度下電荷的分佈，對於建構比現行處理器及記憶體更小、更快、更省電的運算元件，是不可或缺的。詳見Science 325, pp.1110 (2009)；DOI: 10.1126/science.1176210。
原始網站: http://www.physorg.com/new170685108.html
譯者:劉怡萱(逢甲大學光電學系)
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