扫描隧道显微镜的新研究

最近的一项研究表明，扫描隧道显微镜(STM)，用于分析发生在原子尺度上的单个分子形状的变化，会对分子进行这些变化的能力产生影响。

本周的《自然通讯》(Nature Communications)杂志发表了一篇关于这项研究的报告，表明STM的尖端相对于分子的位置会改变分子的能量需求，从而带来形状的变化，从而改变系统的熵。

熵通常被认为是一种无序或随机的度量，但在这里它是由分子可能采取的形状的数量决定的，以及分子可以满足改变其构型的能量需求的不同方式的数量。如果STM的尖端增加了分子改变形状所需的能量，它也增加了系统的熵。本质上，一个跃迁需要潜在的大量小能量激发共同发生，以克服构型变化的能量势垒。所需的激发数越多，收集这些激发的方式就越多。这种多样性产生了熵。

埃里克哈德森，物理学副教授，宾夕法尼亚州立大学

“这完全出乎意料，”瑞士联邦材料科学与技术实验室EMPA的物理学教授、该论文的作者之一汉斯·约瑟夫·哈格说。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球“这意味着，尖端——它仍然离分子相对较远，而且不会碰到分子——在某种程度上影响了分子的流动性。”

单个分子在不同形状之间“跳跃”的速率，以及该分子可以采取的各种其他可能形状的数量——分子的熵表示——根据分子与STM尖端之间的距离而变化。

“这意味着我们正在使用的仪器正在影响我们试图研究的系统，”哈德逊说。“但更重要的是，它允许我们测量分子的熵，以及熵与分子进行构象改变所需的能量之间的基本关系。”

研究人员专注于了解是什么驱动分子改变其形状的能力，这是生物过程和化学反应的共同要求。

STM,组成的细线与一个尖端,可以放置亚原子精度,被研究者检查dibutyl-sufide单分子的形状的变化,这是一个漫长的烃中心硫原子,固定一个平坦的黄金表面。

电流在STM的表面和尖端之间流动，当尖端扫描表面时，STM识别电流在分子上流动时的变化。这些在电流中的修饰被用来形成分子的图像。

在极低的温度下——仅高于绝对零度(-273摄氏度或零开尔文)几度——分子移动非常缓慢，STM几乎捕捉到分子的静止图像。但当我们把温度提高几度时，分子移动得更快，从STM得到的图像会显示出分子不止一种构象。这就像用慢速快门拍摄一个移动的物体。

埃里克•哈德逊ssociateProfessor Physics,宾夕法尼亚州立大学

为了了解控制分子改变形状能力的物理参数，研究小组使用STM分析了二丁基硫化物分子在大约5到15摄氏度的温度下形状的变化。

通常使用两个物理参数来解释如何在表面上移动分子。这些参数包括尝试速率，分子的频率试图发起运动;和活化能量，能量屏障分子必须克服履行问题的运动。

研究人员令人惊讶地注意到分子的能量屏障即使在类似的温度下也基于STM尖端的位置而改变。

此外，研究人员观察到STM的位置对分子的尝试率产生了影响，这与分子的熵有关。

这意味着系统中的能量和熵在基本水平上是联系在一起的。更重要的是，我们的结果暗示熵对分子的动力学起着决定性的作用，即使在非常低的温度下，分子的自由度，因此它的“构型”熵，通常会显著减少，而熵只起着很小的作用。

Hans Joseph Hug, EMPA教授

“在我们对二丁基硫化物的研究中，有趣的发现是，提高分子形状变化的障碍——运动的能量障碍——同时为克服它提供了更多的途径——熵的增加，”EMPA的物理学家Miguel A. Marioni说，他是这篇论文的作者之一。“这些发现意味着，我们自制的STM是一个非常详细地研究单个分子熵的完美工具。”

“对我来说最酷的事情是，熵是我们在学校里都学过的基本东西，但它从来都不是你可以测量的东西，”哈德逊说。“当你进入实验室时，它不知怎么就消失了，所以我们能够测量它，而且熵力与我们通常测量的力相当，这真是令人兴奋。”

除了Hug, Marioni和Hudson，研究团队还包括Jeffrey C. Gehrig, Marcos Penedo和Manfred Parschau，他们来自EMPA的Johannes Schwenk。瑞士国家科学基金会和EMPA资助了这项欧洲杯线上买球研究。