중국과학기술대학교 단일분자 과학연구팀의 Hou Jianguo(侯建國), Wang Bing(王兵), Tan Shijing(譚世倞) 등은 다양한 스캐닝 탐침 현미경 이미징 결합 기술을 개발하여 전기, 힘, 빛 등 외부 필드 작용하에서 단일분자의 다양한 고유 매개변수 반응의 정밀 측정을 달성하고 단일 화학결합 정밀도에서 단일분자 다중 특이성의 종합 특성화를 달성했다. 해당 연구 성과는 2021년 2월 19일, 국제학술지 “Science”에 게재되었다.

분자의 화학 구조를 정밀 측정하고 화학 종을 식별하는 것은 표면과학의 핵심 과제이다. 분자 다차원 고유 매개변수의 정밀 측정은 분자 특이성을 전반적이고 종합적으로 확인하는 기반이지만 시종일관 까다로운 프론티어 문제점이다. 지난 40여년간 주사터널링현미경(STM) 및 q-Plus 원자력 현미경(AFM) 및 그로부터 파생된 다양한 고해상도의 현미경 이미징 기술은 1옹스트롬 수준의 공간 해상도를 달성했다. 그러나 이러한 현미경 기술은 화학적 식별 능력이 결핍하다. 2013년에 연구팀은 팁강화 라만 이미징 기술(TERS)을 이용하여 최초로 서브나노 수준의 화학적 식별을 달성하고(Nature 2013, 498, 82) 2019년에 해당 기술의 공간 해상도를 1.5 옹스트롬으로 향상시킴으로써(Nat. Sci. Rev. 2019, 6, 1169) 분자 특이성의 전반적 특성화 연구를 심층 전개하기 위한 기반을 마련했다.

연구팀은 기존의 연구를 기반으로 STM, AFM, TERS 등 스캐닝 탐침 기술을 융합하는 전략을 채택하여 STM-AFM-TERS 결합 기술을 개발하여 단일 현미경 이미징 기술의 감지 한계를 극복했다. 고해상도의 종합 특징화 기술을 이용하여 펜타센(pentacene) 분자 및 그 유도체를 모델 시스템으로 하고, 전기, 힘, 빛 등의 다양한 상호작용을 결합하여 전자 상태, 화학 결합 구조와 진동 상태, 화학 반응 등 다차원 고유 매개변수의 정밀 측정을 달성했다. 실험을 통해 Ag(110) 표면에 흡착된 펜타센 분자가 다양한 유도체로 전환되는 메커니즘을 규명하였다. 그중, 나노캐비티 플라즈몬 여기는 특정 흡착 구성에서 C-H 결합의 선택적 단열을 초래하는 원인이다. 연구팀은 고감도 단일광자 계수기를 통합하여 라만분광기의 현실공간 이미징 속도를 2개 수량급 향상시켰고 펜타센 분자 화학반응 전후의 동적 추적과 측정을 성공적으로 달성했다. 이론적 계산과 결합하여 분자 화학반응 과정의 메커니즘을 규명하고 실험 관찰 결과를 검증했다.

다차원 특성화 기술을 용합한 전략은 표면 촉매, 표면 합성과 2차원 재료 중의 화학 구조와 종 인식 및 구조활성 상관관계 구축을 위한 실행 가능한 솔루션을 제공할 전망이며 표면 화학, 다위상 촉매 등 연구 분야에서도 중요한 과학적 가치가 있다.

정보출처 : http://www.cas.cn/syky/202102/t20210220_4778380.shtml