IBM 的研究人員透過使用針狀顯微鏡尖端敲擊原子，創造出了一種難以捉摸的分子。這種扁平的三角形碳原子網格碎片，稱為三角烯1，由於太不穩定而無法透過傳統的化學合成方法制造，但有望在電子學中找到用途。
這並非首次使用原子操縱技術來製造無法透過傳統方法制造的不穩定分子——但這一次的分子尤其令人嚮往。“三角烯是我們製造的第一個化學家們曾努力嘗試過但未能成功製造的分子，”領導 IBM 蘇黎世實驗室團隊的 Leo Gross 說。
諾丁漢大學專門從事分子操縱的奈米科學家 Philip Moriarty 說，三角烯的創造展示了一種新型的化學合成方法。在傳統的合成方法中，化學家將分子反應在一起以構建更大的結構。相比之下，在這裡，單個分子上的原子是透過顯微鏡進行物理操縱的。
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但一次製造一個分子的方法只在特定情況下有用。而且，這種方法不太可能適用於那些形狀或結構複雜、難以識別或定位單個原子的分子。
不穩定的三角形
三角烯類似於石墨烯的碎片，石墨烯是一種原子厚度的材料，其中的碳原子以六邊形網格連線。這種新分子由六個沿邊緣連線形成三角形的碳六邊形組成，周圍環繞著氫原子（參見“自由基三角形”）。其中兩個外部碳原子包含未成對的電子，這些電子無法配對形成穩定的鍵。
這樣的分子非常不穩定，因為未成對的電子傾向於與周圍的任何物質發生反應。“一旦你合成它，它就會氧化，”IBM 團隊成員 Niko Pavliček 說。到目前為止，傳統的合成方法最接近製造這類分子的方式是使用龐大的碳氫化合物附肢緩衝反應性邊緣2。
IBM 團隊轉向了掃描探針顯微鏡，它具有針尖狀的尖端，可以“感知”材料的形狀。該技術通常用於對分子進行成像，透過測量尖端和樣品之間的吸引力，或它們之間透過的電流。IBM 團隊已經證明3，如果尖端附著有少量分子（如一氧化碳），力顯微鏡可以提供高解析度影像，其解析度之高足以媲美化學教科書中的球棍模型圖。
Gross 的團隊已經展示瞭如何使用顯微鏡來指導化學反應的程序並製造不穩定的“中間體”分子4。為了生產三角烯，該團隊從一種稱為二氫三角烯的前體分子開始，該分子缺乏反應性未成對電子。前體由英國考文垂華威大學的化學家合成。
研究人員將這些分子沉積在表面上——鹽、固態氙和銅都是合適的——並在顯微鏡下檢查它們。然後，他們使用了來自尖端的兩個連續電壓脈衝，小心地定位在分子上方，以爆破掉兩個氫原子併產生未成對的電子。這項工作發表在《自然·奈米技術》雜誌上1。
然後，該團隊使用顯微鏡對產物進行成像，首先拾取一氧化碳分子以獲得高解析度。影像具有三角烯預測的形狀和對稱性。在實驗的高真空、低溫條件下，分子在研究人員觀察的時間內保持穩定。
量子應用
日本大阪市立大學的化學家竹井武司（Takeji Takui）說：“據我所知，這是首次合成未取代的三角烯。”他此前曾合成過三角烯型分子2。
Moriarty 稱這項工作很優雅，但令他驚訝的是，三角烯在銅表面上保持穩定，他原本預計它會與金屬發生反應。Pavliček 說，在一組實驗中，該分子在團隊製造出來四天後仍然靜靜地待在銅上。
研究人員還探測了三角烯的磁性。他們發現，正如他們所預期的那樣，兩個未成對電子具有對齊的自旋——這種量子力學特性賦予電子磁方向。
他們說，這種特性可以使三角烯在電子學中發揮作用。竹井表示贊同，並預見到在量子計算、量子資訊處理以及被稱為自旋電子學的領域中的應用，在自旋電子學中，裝置操縱電子自旋來編碼和處理資訊。
一次製造一個分子似乎前景不太光明，但 Gross 指出，當前的量子計算機，例如 IBM 開發的量子體驗，僅使用少量的量子位元，每個量子位元可能對應於單個分子。他說，即使你需要“手工”製造 100 個這樣的分子，“也值得付出這種體力勞動”。
雖然尚不清楚這種方法在多大程度上可以應用於非扁平分子，但 Gross 表示，這種原子操縱在一定程度上可以對 3D 分子進行。
Moriarty 說，即使是三角烯和相關的石墨烯樣碎片，“仍有許多令人興奮的科學工作要做”。他補充說，IBM 團隊“繼續為我們其他人設定高標準”。
本文經許可轉載，並於2017 年 2 月 13 日首次發表。