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中国科学家“拍”出世界首张分子间能量传递“照片”

发布于:2019-03-27 11:52编辑:小电脑 作者:小电脑点击:

中国科学家拍出世界首张分子间能量传递照片,为深入理解分子间能量传递提供了前所未有的空间信息。国际权威学术期刊《自然》杂志,于3月31日发表了这一成果,并在新闻与观点栏目中以耦合分子的特写镜头为题进行特别报道。

实验的艺术渲染图

据《科技日报》今日(4月1日)报道,该项成果由中国科学技术大学单分子科学团队的董振超研究小组实现。利用精心设计的局域电场增强的亚纳米空间分辨的电致发光技术,科研人员在国际上首次实现分子间相干偶极耦合的成像观察,即在单分子水平上对分子间能量传递特征成功拍照。

照片从电子信号中计算而来

据报道,对分子间能量传递进行拍照不是常规意义的拍照,而是从电子信号中计算出来的结果。

中科大单分子科学团队,长期致力于发展将扫描隧道显微镜(STM)高分辨静态表征和光学技术高灵敏动态探测相结合的联用系统,特别是通过巧妙调控局限在一个纳米腔室内的电场的频率和强度,极大地丰富了测量和调控手段,拓展了测量极限,为单分子物理化学研究提供了新的可能性。

董振超向《科技日报》介绍说,他们操纵扫描隧道显微镜的针尖,构筑出两个锌酞青分子的二聚体结构,并通过采用电子激发发光方式,对该结构不同能量状态的偶极耦合模式分别进行了亚纳米空间分辨的电致发光成像。

经过这些过程,局域电子的激发能量瞬间传递到整个分子二聚体,构成了一个量子纠缠体系。而且该体系不同能量状态(即偶极耦合模式)的光子成像图案具有特定的特征。通过对这些空间特征的分析,可以推导出分子二聚体中能量传递的相干特征。

在此基础上,他们更深入地对多分子纠缠体系的能量激发状态进行研究,还设计出了实现更亮更纯光源的方案。

构筑分子间相互作用新观点

人们直觉上通常认为,分子间的能量传递就像足球队员传球一样,由接受能量的分子传送给相邻的另一个分子,然后依次传递下去。

但最新的一些实验表明,一份能量的注入,可能会引起相邻分子间有一定规律的联动,或者说相邻分子的偶极之间产生相干耦合。偶极是表征分子内电荷空间分布的一个物理参量,偶极耦合是指分子间电磁力的相互作用。

在此之前,由于传统光学成像技术的空间分辨精度的局限,科学界对分子偶极耦合相干性的形式和特性一直缺乏直接认识。

为多领域研究提供新思路

分子间的能量传递是维系生命及其演化的重要方式,也是实现化学反应、构造分子功能材料的重要手段。董振超介绍,从分子水平了解分子间能量转移的形式和特征,对了解自然界中光合作用的高效捕光机制具有非常重要的意义。如果能够在分子水平掌握分子能量传递的秘密,就有希望根据相关规律研制出高效率的人工光合系统。

中新网称,这项研究为深入理解分子间能量传递提供了前所未有的空间信息,也为研制高效的捕光结构和量子纠缠光源提供了新的思路。

《自然》杂志的审稿人认为,这项工作开辟了研究分子间相互作用的新途径,对于许多研究领域从分子间相互作用的基础研究到捕光体系和量子光学等实际应用,都具有广泛的影响和重要的意义。

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