IBM 的研究人员通过使用针状显微镜尖端敲击原子，创造出了一种难以捉摸的分子。这种扁平的三角形碳原子网格碎片，称为三角烯1，由于太不稳定而无法通过传统的化学合成方法制造，但有望在电子学中找到用途。
这并非首次使用原子操纵技术来制造无法通过传统方法制造的不稳定分子——但这一次的分子尤其令人向往。“三角烯是我们制造的第一个化学家们曾努力尝试过但未能成功制造的分子，”领导 IBM 苏黎世实验室团队的 Leo Gross 说。
诺丁汉大学专门从事分子操纵的纳米科学家 Philip Moriarty 说，三角烯的创造展示了一种新型的化学合成方法。在传统的合成方法中，化学家将分子反应在一起以构建更大的结构。相比之下，在这里，单个分子上的原子是通过显微镜进行物理操纵的。
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但一次制造一个分子的方法只在特定情况下有用。而且，这种方法不太可能适用于那些形状或结构复杂、难以识别或定位单个原子的分子。
不稳定的三角形
三角烯类似于石墨烯的碎片，石墨烯是一种原子厚度的材料，其中的碳原子以六边形网格连接。这种新分子由六个沿边缘连接形成三角形的碳六边形组成，周围环绕着氢原子（参见“自由基三角形”）。其中两个外部碳原子包含未成对的电子，这些电子无法配对形成稳定的键。
这样的分子非常不稳定，因为未成对的电子倾向于与周围的任何物质发生反应。“一旦你合成它，它就会氧化，”IBM 团队成员 Niko Pavliček 说。到目前为止，传统的合成方法最接近制造这类分子的方式是使用庞大的碳氢化合物附肢缓冲反应性边缘2。
IBM 团队转向了扫描探针显微镜，它具有针尖状的尖端，可以“感知”材料的形状。该技术通常用于对分子进行成像，通过测量尖端和样品之间的吸引力，或它们之间通过的电流。IBM 团队已经证明3，如果尖端附着有少量分子（如一氧化碳），力显微镜可以提供高分辨率图像，其分辨率之高足以媲美化学教科书中的球棍模型图。
Gross 的团队已经展示了如何使用显微镜来指导化学反应的进程并制造不稳定的“中间体”分子4。为了生产三角烯，该团队从一种称为二氢三角烯的前体分子开始，该分子缺乏反应性未成对电子。前体由英国考文垂华威大学的化学家合成。
研究人员将这些分子沉积在表面上——盐、固态氙和铜都是合适的——并在显微镜下检查它们。然后，他们使用了来自尖端的两个连续电压脉冲，小心地定位在分子上方，以爆破掉两个氢原子并产生未成对的电子。这项工作发表在《自然·纳米技术》杂志上1。
然后，该团队使用显微镜对产物进行成像，首先拾取一氧化碳分子以获得高分辨率。图像具有三角烯预测的形状和对称性。在实验的高真空、低温条件下，分子在研究人员观察的时间内保持稳定。
量子应用
日本大阪市立大学的化学家竹井武司（Takeji Takui）说：“据我所知，这是首次合成未取代的三角烯。”他此前曾合成过三角烯型分子2。
Moriarty 称这项工作很优雅，但令他惊讶的是，三角烯在铜表面上保持稳定，他原本预计它会与金属发生反应。Pavliček 说，在一组实验中，该分子在团队制造出来四天后仍然静静地待在铜上。
研究人员还探测了三角烯的磁性。他们发现，正如他们所预期的那样，两个未成对电子具有对齐的自旋——这种量子力学特性赋予电子磁方向。
他们说，这种特性可以使三角烯在电子学中发挥作用。竹井表示赞同，并预见到在量子计算、量子信息处理以及被称为自旋电子学的领域中的应用，在自旋电子学中，设备操纵电子自旋来编码和处理信息。
一次制造一个分子似乎前景不太光明，但 Gross 指出，当前的量子计算机，例如 IBM 开发的量子体验，仅使用少量的量子比特，每个量子比特可能对应于单个分子。他说，即使你需要“手工”制造 100 个这样的分子，“也值得付出这种体力劳动”。
虽然尚不清楚这种方法在多大程度上可以应用于非扁平分子，但 Gross 表示，这种原子操纵在一定程度上可以对 3D 分子进行。
Moriarty 说，即使是三角烯和相关的石墨烯样碎片，“仍有许多令人兴奋的科学工作要做”。他补充说，IBM 团队“继续为我们其他人设定高标准”。
本文经许可转载，并于2017 年 2 月 13 日首次发表。