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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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  • 《康奈尔大学等机构研究团队通过X射线成像技术观察到的钻石的微观振动，为量子传感技术开辟了新的可能性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-08-24
    • 近日，科学家们绘制了钻石中的原子振动图，并将其与嵌入其中的量子系统的行为联系起来。这项工作推进了量子传感器的发展，量子传感器将比现在的检测工具精确得多。 康奈尔大学教授Gregory Fuchs表示，在量子传感器材料方面，钻石是最好的选择。现在，他和一组科学家通过生成钻石经历微观振动的精美图像，提升了钻石的游戏水平。 该团队由美国能源部阿贡国家实验室、康奈尔大学和普渡大学的研究人员组成，在量子信息科学方面取得了两倍的进步。 首先，用声波对钻石进行脉冲处理，他们拍摄了钻石振动的X射线图像，并测量了原子根据波频率压缩或膨胀的程度。 其次，他们将原子应变与另一种原子性质——自旋——联系起来，自旋是所有原子物质的一个特殊特征，并定义了两者之间的数学关系。 这些发现是量子传感的关键，量子传感利用原子的特殊特征进行测量，其精度远远高于我们今天的能力。未来几十年，量子传感器有望在医学、导航和宇宙学中得到广泛应用。 摇晃并旋转 科学家利用自旋来编码量子信息。通过确定自旋对钻石应变的反应，该团队提供了一本如何操纵它的手册：以这种方式给钻石一个微震动，自旋就会改变这么多。以这种方式摇动钻石，旋转会发生很大变化。 这项发表在《Physical Review Applied》期刊上的研究（DOI：10.1103/PhysRevApplied.22.024016）是第一次有人直接测量钻石在千兆赫频率（每秒数十亿个脉冲）下的相关性。这也是量子科学界为精确连接各种材料中的原子应变和相关自旋而做出的更大努力的一部分。例如，阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员之前测量了碳化硅中的自旋应变相关性，碳化硅是研究人员为量子应用而设计的另一种恒星材料。 该小组的研究部分得到了由阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。 康奈尔大学应用与工程物理学院教授、Q-NEXT的合作者Fuchs表示：“我们正在连接一个方程的两侧——自旋侧和应变侧——并直接比较钻石中的情况。”。“直接将他们两人击倒，我感到非常满意。” 求解自旋应变方程 等式的两边相距数百英里。 对于自旋测量，纽约康奈尔大学的科学家们使用康奈尔大学和普渡大学的研究人员开发的一种独一无二的设备，测量了自旋对穿过钻石的声波脉冲的反应。 为了进行应变测量，康奈尔大学的研究生和论文作者Anthony D'Addario驱车700英里前往伊利诺伊州的阿贡国家实验室，使用美国能源部科学办公室的高级光子源（APS）用户设施。这台周长1公里的机器产生X射线，使研究人员能够看到材料在原子和分子水平上的行为。在为量子技术生成了其他材料的应变图像后，它现在也可以为钻石做同样的事情。该团队使用APS和阿贡国家实验室纳米材料中心（也是美国能源部科学办公室的一个用户设施）联合操作的X射线束，在钻石原子来回摇晃时拍摄了类似闪光灯的照片。 他们专注于钻石内的一个特定位置：一个称为氮空位（NV）中心的不规则结构，由一个原子大小的孔和一个相邻的氮原子组成。科学家们使用NV中心作为量子传感器的基础。 APS的高分辨率图像使该团队能够测量钻石NV中心附近原子的运动，达到千分之一。 阿贡国家实验室科学家和Q-NEXT合作者Martin Holt表示：“能够使用APS明确地观察或量化NV中心附近的应变，因为它是由普渡大学和康奈尔大学开发的这些美丽的声学谐振器调制的，这使我们能够在NV中心附近本地了解情况。”Martin Holt也是该论文的作者。“这一直是硬X射线的美妙之处：能够完全穿透复杂的系统，并获得关于内部情况的定量答案。” 在掌握了自旋和应变测量结果后，Fuchs和团队将两者联系在一个方程中，该方程令人满意地与理论一致。 D’Addario表示：“最令人兴奋的部分是进行分析。我们最终发现了一个与自旋和应变相关的新数字，它最终与一些理论和之前的测量结果一致。”。 声学工程 旋转可以通过几种方式操纵。最流行的是使用电磁波。使用声波不太常见。 但它有优势。首先，声波可以用来操纵自旋，这是电磁场无法实现的。 另一方面，声波可以保护自旋中编码的量子信息。量子信息是脆弱的，当受到环境的干扰时会崩溃，这一过程称为退相干。量子研究的目标之一是避免退相干足够长的时间，以便成功处理信息。 Holt表示：“给系统添加声音会让它变得更好，这有点违反直觉，但这有点像打开白噪声发生器听不到对话。”。“你可以使用声波来保护量子比特免受退相干的影响。你正在以一种保护系统免受其他声音过程影响的方式改变系统的敏感度。” 还有小型化的优点。虽然1千兆赫的电磁波大约有一英尺长，但千兆赫的声波很小，大约有人类头发的宽度。这种小波长使科学家能够在一个小装置中放置多个类似的设备，并确保它们的信号不会相互交叉。 Fuchs表示：“如果你不希望相邻设备之间有太多的讨论或干扰，那么你可以使用声波设备，这可能非常有限。”。 将这些优势与钻石相结合，可以制成卓越的量子传感器。作为量子信息的宿主，钻石具有较长的信息寿命，可以在室温下运行，并提供可靠的测量。 Fuchs表示：“我想说，大多数人都会同意我的观点，对于量子传感器来说，钻石是王者。”。 跨学科合作是这项工作的关键。 Holt表示：“由于这些系统的复杂性和敏感性，有许多不同的东西可以移动量子现象。”。“能够仔细地对单个片段的反应进行基线分析需要相关性。这是一个多学科的问题，Q-NEXT非常适合回答这个问题。Q-NEXT在为这些设施中的量子系统创建操作环境方面的投资确实取得了回报。” 这项工作得到了美国能源部科学国家量子信息科学研究中心的支持，该中心是Q-NEXT中心的一部分。
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