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看見化學鍵

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陳藹然｜臺灣大學科學教育發展中心副理

看見原子不稀奇，化學鍵（chemical bond）沒看過吧？IBM在蘇黎世的研究團隊繼2009年首度公開了化學鍵影像，最近發表了像奧運環狀的分子影像，從影像中可以清晰看出連結相鄰原子間鍵結的存在。這項結果發表在9月出刊的《科學》(Science)上。

這個研究分子影像的先鋒團隊3年前（2009）發表全世界第1個單一分子影像，團隊成員包含法國與西班牙的科學家。這次的新研究成果為研究奇妙物質『石墨烯』缺陷的可能性帶來曙光，同時讓科學家得以更清楚了解化學反應中電子的行為。

研究團隊靠1種特殊技術－原子力顯微鏡(Atomic force microscopy, AFM)來觀察分子影像。原子力顯微鏡是以1個極其微小的金屬探針在物品表面進行掃描，樣品表面會和金屬探頭產生微小的作用力，收集作用力大小變化的訊號藉以描述物品表面的狀況。IBM團隊的新方法很簡單，在銅製金屬探針上黏1個更小的簡單分子作為掃描式顯微鏡的探頭，他們選用的分子是一氧化碳(carbon monoxide, CO)，一氧化碳是由1個碳原子和1個氧原子組成的小分子。由1個一氧化碳分子構成的探頭，能準確的記錄原子表面，讓科學家「看」到世上1個單分子影像。如何精確的測量分子表面，一直都是科學家面臨最大的難題與挑戰，測量過程中必須避免來自外在環境的種種干擾，小小的震動都會影響影像畫面。也許你無法想像，室溫都會提供顯微鏡探針分子能量引起擾動，造成影像模糊，最後科學家不得不在攝氏-268度的超低溫下進行實驗。

讓科學家在化學鍵影像研究得到突破的關鍵是分子的選擇。第1個單一分子影像是觀測稠五苯(pentacene)，這次實驗中則改選用俗稱巴克球(buckyball)的富樂烯(fullerene)作為觀察的對象。文章第一作者Dr. Leo Gross說：『在先前第一個單一分子影像，稠五苯(pentacene)的影像中，我們雖然看到化學鍵，但是我們『看不出來』不同化學鍵的差異。現在我們做到了，我們可以看見不同鍵結的不同物理性質，真是太令人興奮了』。

了解化合物中不同化學鍵的強度對預測分子形狀、分子穩定度和分子反應性來說是很重要的。從分子影像圖，科學家得到更多化學鍵的資訊，例如化學鍵種類和反應中化學鍵的變化，因為化學鍵種類與強弱和形成化學鍵兩原子間的電子對數目有關。

接下來研究團隊將繼續利用這個技術檢驗石墨烯(graphene)，石墨烯是一層只由碳原子組成的平面薄膜，其獨特的物理性質和超高導電、導熱性，被視為未來重要的奈米電子電路材料。當有其他種類原子混入的石墨烯，石墨烯特有的二維平面結構遭到破壞，產生皺折或彎曲，對此種缺陷目前所知有限，或許經由這個顯微影像技術可以得到更多可供研究的資訊。未來研究團隊也將嘗試使用不同的分子當作原子力顯微鏡的紀錄探針，希望有一天能更進一步看到分子的內部。(本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫｣執行團隊撰稿)

責任編輯：鄭原忠｜國立臺灣大學化學系

鍵(2) 石墨烯(13) 巴克球(6)

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