冷凍CO針頭STM技術實現觀察分子中原子和化學鍵準確位置

　　華威大學和卡迪夫大學的研究人員使用一根針尖帶有單一一氧化碳分子并冷凍至零下266攝氏度的的超薄、尖銳針頭，識別并繪制了材料表面上每個分子鍵的位置

　　· 這項掃描隧道顯微（STM）技術的精確度非常高，以至于可以在原子水平上測量由泡利不相容原理引起的電阻變異，而這不僅可以區分鹵鍵和氫鍵，還可以精確顯現和繪制它們在材料中的實際位置

　　· 我們可以使用這項技術來確定分子中原子的位置，因此這可作為強有力的質控機制用于識別材料中的雜質

　　· 這不僅可以幫助生產許多新材料（尤其是藥品），還可以確保材料純度高于以往

　　在華威大學化學工作者開展的研究項目中，研究人員首先使用超高分辨率掃描隧道顯微術來觀察分子中原子和化學鍵的準確位置，然后采用這些極為精確的圖像來確定使分子之間鍵合的相互作用。

　　憑借一根冷凍至7開氏度（零下266攝氏度）且針尖帶有一氧化碳的超銳針頭，研究人員便可以識別出鍵是氫鍵還是鹵鍵，并且他們還能發現這些材料中的微小缺陷。這些成果可能對生產純度更高的新藥有極大幫助。

　　研究人員在放于金表面的溴化多環芳族分子上對比了標準STM與超高分辨率STM。他們能夠證明標準STM測量無法最終確定分子間相互作用的性質，但新技術可以明確識別碳環和鹵素原子的位置，從而確定分子是通過鹵鍵進行組裝。

　　他們的研究于今日（即2020年4月30日）發表在Nature Communications《自然通訊》中題為“Combining high-resolution scanning tunnelling microscopy and first-principles simulations to identify halogen bonding”（聯用高分辨率掃描隧道顯微術和第一性原理模擬來識別鹵鍵）的論文內。

　　論文的首席研究員之一，華威大學化學系教授Giovanni Costantini 表示：

　　“著名物理學家Richard Feynman曾說過，分析任何復雜化學物質的最簡單方法是‘仔細觀察并找出原子的位置”；一直以來，我們所用的技術就是一種找出原子位置的方法。

　　“掃描隧道顯微術（STM）通常只能顯示材料中分子的整體形狀和位置，不過，該技術的精確度無法達到可確定具體原子結構的水準。

　　“然而，憑借超高分辨率STM，我們可以精準確定碳環和鹵素原子的位置，從而確定這種材料的分子組裝依賴的是鹵鍵而不是氫鍵。

　　“通過嚴格遵循Richard Feynman的“只需仔細觀察”忠告，清楚觀察分子內原子的實際位置可以使我們推斷出分子間鍵合的位置和性質。

　　“這一點得到了理論計算的支持，而這些理論計算揭示了經國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）確認可以識別鹵鍵特性的一些電子特征。我們相信，使用這種方法可以迅速而明確地闡明過去幾十年來文獻中討論過的大部分棘手或有爭議的分子結構，并且我們預測這種方法在表面分子納米科學中的應用將日益廣泛。”

　　論文的另一位首席研究員，來自華威大學化學系的助理教授Gabriele Sosso也指出：

　　“辨別并真正清楚地識別鹵鍵位置的能力對嘗試理解生物分子識別并設計新藥的研究人員具有特殊價值。

　　“事實上，到目前為止，大多數醫藥化學都專注于氫鍵的作用，因為氫鍵在生物化學和材料科學中普遍存在：因此，了解鹵鍵將為設計下一代藥物設計用分子系統提供額外的工具。

　　“為此，正如我們在這項工作中所做的那樣，我們必須將實驗和模擬結合在一起，才能綜合全面地描述這種在很大程度上仍有待探索的分子相互作用。”