洪文晶教授課題組獲得了分子間σ-σ相互作用的直接實驗證據
發布時間:2022年07月30日 來源:化學化工學院

近日,化學化工學院洪文晶教授課題組在分子間σ-σ相互作用的超分子電子學研究中取得重要進展。相關研究成果以“σ-σ Stacked supramolecular junctions”為題在線發表於Nature Chemistry (DOI: 10.1038/s41557-022-01003-1)。

環己烷(左)和苯環(右)超分子結示意圖和對應的電學表征結果

分子間的相互作用,是化學、材料、物理、生物、醫學乃至電子學等多學科研究中的一個重要而基本的科學問題。對於相互靠近的兩個共軛分子,已經有很多的實驗證據證明,苯環之間能夠通過π電子雲之間的相互作用發生分子間的堆積作用進而發生電子的輸運,即π-π堆積作用;對π-π堆積作用的深入研究和認識已經成為了科研工作者研究和認識DNA組裝、多肽折疊等生命過程、以及設計和製備有機電子學和柔性電子學材料的重要基礎。然而,對於缺少π電子的非共軛分子體係,兩個分子間是否也能夠通過分子骨架上的σ電子發生相互作用,則長期缺乏直接的實驗證據,其主要挑戰在於難以將兩個分子精確控製在分子間相互作用的作用距離內,並以此實現基於該相互作用電子輸運的精確測量。

為將兩個非共軛分子精確放置在其分子間相互作用距離內,洪文晶教授課題組自主開發了基於掃描隧道顯微鏡裂結技術(STM-BJ)的精密科學儀器,以此實現了兩個金電極之間納米間隙的精準控製和電流的精確測量;在此基礎上,設計了基於環己烷的非共軛模型分子體係,以此成功地在兩個金電極之間構築了兩個環己烷分子通過相互作用組成的超分子結,進一步構築了一係列金剛烷超分子結,並將其與具有相似結構的共軛苯環模型分子進行對比。實驗結果表明,非共軛分子之間存在σ-σ相互作用,並且該σ-σ堆積作用具有可與苯環間π-π堆積作用相比擬的電輸運能力。結合計算發現,σ-σ堆積作用具有較強的結合能(5 kcal/mol),因此能夠促進兩個σ電子雲發生交疊。該研究工作是非共軛分子之間存在有σ-σ作用的首個直接實驗證據,深化了對分子間相互作用的理解,同時也為利用非共軛分子製備分子材料與器件提供了新思路。

化學化工學院洪文晶教授、薩本棟微米納米科學技術研究院楊揚副教授為論文的共同通訊作者,文章的共同第一作者為化學化工學院博士後馮安妮和博士生周彧。參與本研究工作的還有化學化工學院肖宗源副教授,博士後陳力川、潘誌超,博士生徐偉、趙世強,碩士生Mohammed A.Y. Al-Shebami、曾標峰。該工作得到了國家重點研發計劃課題(2017YFA0204902)、國家自然科學基金(21905238、21673195、21722305、21973079)、福建省自然科學基金(2021J06008)的資助,也得到了固體表麵物理化學國家重點實驗室、嘉庚創新實驗室的支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41557-022-01003-1

【責任編輯:王誌鵬】
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