客观日本

超高速拍摄发现:分子的运动就像沙锤中的小石子

2020年06月18日 化学材料

东京大学研究生院理学系研究科化学专业的中村荣一特别教授等人组成的研究团队6月4日宣布,以每秒1600帧的全球最高速度,成功拍摄到了与摇晃沙锤时里面的小石子来回跳动的情形相似的分子运动。此次拍摄速度远远高于原来的约20帧每秒,为分析以前难以预测的分子快速运动开辟了道路。

研究团队利用了中村教授等人自主开发的捕捉单个分子变化的“原子分辨率单分子实时电子显微镜(SMART-EM)记述”,以及网络视频等采用的影像降噪技术。在筒状碳材料碳纳米管中放入球状碳分子富勒烯后,以每秒1600帧的速度拍摄约10秒钟,成功捕捉到了富勒烯随着碳纳米管的振动而运动的情形。

title

拍摄分子运动的研究概况(图片由东京大学提供)

以前,利用检测原子之间的作用力的高速原子力显微镜时,最高拍摄速度为每秒20帧左右。这个速度很难捕捉到分子不规则运动的瞬间,分辨率也不够高。除SMART-EM等技术之外,研究团队还通过叠加拍摄的相邻帧等方法提高了画质。另外还实施了统计分析,以0.01纳米和0.9毫秒的超高精度确定了分子的位置。

关于富勒烯的运动,中村教授表示:“就像是摇晃沙锤时,里面的小石子跳动的情形一样。分子遵循量子力学原理,但由于富勒烯有一定的重量,因此一旦施加机械力,可能就会表现出类似于牛顿力学那样的行为。”碳纳米管的振动原因尚不清楚,可能是受到了显微镜的微弱振动的影响。

title

富勒烯二聚体在碳纳米管中移动的图像(图片由东京大学提供)

此前很难直接拍摄分子的运动和反应,一直被当作随机事件来处理。如果能利用此次开发的方法捕捉这些瞬间,不仅可为捕捉单个分子运动的研究开辟道路,还有助于理解构成分子的原子的排列变化和化学反应机制。

中村教授介绍说:“观察以肉眼看不到的速度运动的物体是人类自古以来的梦想,现在终于到达了分子层面。今后,从材料科学到生命科学,该技术有望广泛应用于此前只能通过理论计算了解的各种现象的研究。”

研究团队由中村特别教授、与其同一专业的原野幸治特任副教授、美国弗吉尼亚理工学院和日本九州大学的村山光宏教授等人组成。相关研究成果已于6月4日发布在日本的化学期刊《Bulletin of the Chemical Society of Japan》的特辑号。

日语发布原文

日文:JST Science Portal编辑部
中文:JST客观日本编辑部

专题网页