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《日本和美国联合研究团队首次观察到两个碳原子之间的单电子共价键，改变科学界对化学键的理解》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2024-11-04

  • 转自全球技术地图

    据nature 9月25日消息，日本东京大学、北海道大学和美国加州大学的联合研究团队首次观察到两个碳原子之间的单电子共价键。分子中的大多数化学键由原子间共享的一对电子组成。这些被称为共价单键。在特别强的键中，原子可能共享两个电子对（双键）或三个电子对（三键）。只有一个电子形成键的情况非常不稳定，这意味着键很容易断裂，并且有很强的倾向释放或捕获电子以恢复偶数个电子。为了以一种稳定、可观察的形式捕获这种化合物，研究人员将其结晶化。在碘的帮助下进行氧化反应生成紫色的盐，该分子的稳定外壳将内部的单电子碳-碳键连接在一起。单电子碳-碳键能够帮助化学家更好地理解化学键的基本性质，并有望改写教科书。

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07965-1
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  • 《与原子同行：记录了化学键的形成和断裂》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2020-01-20
    • 自从有人提出原子是构成世界的基本单位以来，科学家们一直在试图理解原子是如何以及为什么会相互结合的。无论是一个分子(一组原子以特定的方式连接在一起)，还是一块材料或一个完整的生物体，最终，一切都是由原子的结合方式和化学键的断裂方式控制的。 挑战在于，化学键的长度在0.1 - 0.3纳米之间，大约比人类头发的宽度小50万倍，这使得直接成像一对原子之间的化学键非常困难。先进的显微技术，如原子力显微镜(AFM)或扫描隧道显微镜(STM)，可以直接解析原子位置和测量键长，但实时拍摄化学键以打破或形成时空连续性，仍然是科学面临的最大挑战之一。 遇到了这一挑战领导的一个研究小组从英国和德国Ute凯泽教授的电子显微镜,乌尔姆大学的材料科学教授Andrei Khlobystov在诺丁汉大学化学学院其出版的成像不受支持的债券在dirhenium分子-金属原子尺度的科学进步,美国科学促进协会的一份杂志，涵盖了科学努力的所有方面。 纳米试管中的原子 这组研究人员以其开创性的使用透射电子显微镜(TEM)拍摄的电影在单分子水平的化学反应,和动力学的微小的金属原子簇nanocatalysts利用碳纳米管——自动薄空心圆柱体直径在分子尺度的碳(1 - 2海里)作为原子微型试管。 安德烈·赫洛比斯托夫教授说:“纳米管帮助我们捕获原子或分子，并将它们精确定位到我们想要的位置。在这种情况下，我们捕获一对铼(Re)原子结合在一起形成Re2。因为铼的原子序数高，所以在透射电子显微镜中比在较轻的元素中更容易看到，这使我们能够把每个金属原子识别为一个黑点。” Ute凯泽教授补充道:“我们这些双原子分子成像的彩色和球面像差校正药膏TEM,我们观察到的量子动力学Re2公司吸附在碳纳米管的石墨晶格和发现的键长变化Re2公司在一系列离散的步骤。” 电子束的双重用途 该团队有丰富的使用电子束作为工具的双重用途的记录:精确的原子位置成像和激活化学反应，由于能量从电子束的快速电子转移到原子。TEM的“二合一”技术使这些研究人员能够记录过去分子反应的视频，现在他们能够在连续视频中记录两个结合在一起的Re2原子沿着纳米管“行走”的过程。乌尔姆大学的研究助理Kecheng Cao博士发现了这一现象，并进行了成像实验。重要的是，当Re2沿着纳米管向下移动时，键长发生了变化，这表明键的强度取决于原子周围的环境。” 打破纽带 一段时间后，Re2原子表现出振动，将其圆形变形为椭圆形并拉伸了键合。当键长达到一个超过原子半径之和的值时，键会断裂并且振动停止，这表明原子变得彼此独立。不久之后，原子又重新结合在一起，重新形成了Re2分子。 诺丁汉大学的博士后研究助理Stephen Skowron博士进行了Re2键的计算，他说：“金属原子之间的键在化学中非常重要，特别是对于了解材料的磁性，电子或催化特性。具有挑战性的是过渡金属（例如Re）可以形成从单键到五键的不同顺序的键。在此TEM实验中，我们观察到两个rh原子主要通过四键键合，为过渡金属化学提供了新的基本见解。 电子显微镜作为化学家的新分析工具 安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）说：“据我们所知，这是第一次在原子尺度上将键的演化，断裂和形成记录在胶片上。电子显微镜已经成为确定分子结构的分析工具，尤其是随着低温TEM的发展，该技术已获得2017年诺贝尔化学奖。现在，我们正在推动分子成像的前沿领域超越简单的结构分析，并朝着实时了解单个分子的动力学方向发展。”研究小组认为，将来有一天电子显微镜可能会成为研究化学反应的通用方法，类似于化学实验室中广泛使用的光谱方法。 ——文章发布于2020年1月17日
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  • 《未来材料——拉扯就可以改变导电性的碳原子线》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-09-22
    • 碳炔（卡宾，亦有译作“卡拜”，“线型碳”），由单链的碳原子连接而成，为目前理论上已知最硬的材料。 最近科学家透过理论计算预测，这种新颖材料除了硬，还具备特殊的导电性质，可以由拉扯从导体变成半导体甚至是绝缘体！ 碳炔是由线型的碳原子排列而成，每个碳可以提供4个价电子来与周围的原子形成共价键，欲形成直链的话，理论上在两两碳原子间的键数可以是2：2（碳原子间都是双键）或者是1:3（以单键 - 参键 - 单键 - 参键??交错排列），当碳炔处在弛豫态（放松的状态，在此意指不受任何其他外力限制或场影响的状态）时，每组碳碳键几乎是等长，且具备导体的性质。看到这里，你可能会直觉地认为碳碳间应该都是以双键连接，客官且慢，先别那么快下结论！根据派尔斯不稳定性理论（Peieris不稳定），一维的无限长分子串会倾向于变成一长一短的键结来降低总能，那为什么还会说碳炔是等长的呢？原因在于分子并非处在一个静止不动的稳定态，原子的相对位置会振动（在不同键长出现的机率可透过分子的位能面决定）而使键长变化「模糊」。当碳碳键结构在1:3和3:1两种低位能形式间变换（出现机率相同），若是两者间的位能障碍不大，则碳碳键的振动波涵数（核振动波函数），便可以脚踏两条船，分布在1:3和3:1中间的位置上，而不会集中在两个最低位能点，导致我们观测到等长的结果。 莱斯大学（Rice大学）的鲍里斯一Yakobson团队透过理论模拟来研究碳炔[1]，他们将碳炔拉长后计算其导电性质。结果显示，当碳炔被拉长，其碳碳键会趋向于变得不等长（因为1:3和3:1的键结结构间的位能障碍变高，使得碳碳原子振动无法简单越过能障，不能脚踏两条船，只能分布在其中ㄧ种情形（见上图右）），价电子带到导电带的能量间距（带隙）也会被拉大，令碳炔变得更不易导电，此外，在考虑其导电性时，碳炔两端怎么连接到电极也会对结果产生影响。研究者之一的Artyukhov说道：「在这项研究前，大部份人都认为碳炔应该稳定处在一长一短的键结结构，维持绝缘体的状态，而我们的理论考虑了原子振动带来的不确定性，使得零点振动成为与派尔斯不稳定性竞争的变因，抵消了派尔斯不稳定性造成的键长不等距情形」。藉由调整施予碳炔的张力，我们可以控制这两个因素的竞争，调整其导电性，让它从导电相转移到半导体相。 目前，碳炔在合成上仍存在许多技术问题，使得对碳炔的研究大都停留在理论阶段，应用层面也还无法有效发展。未来有一天，若是碳炔可以成功量产化，其坚硬的性质和特殊的导电变化，将有巨大潜力应用到电子或是其他产业上！
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