显微镜对分子氧的研究

这张图显示了并五苯分子（黑色和白色）的三重态（蓝色箭头）和氧分子（红色）之间的相互作用。图片来源：Jascha Repp

为什么你最喜欢的 T 恤在阳光下会随着时间的推移而褪色？为什么你会晒伤，为什么秋天的树叶会是棕色的？这些问题都有一个共同点：染料颜料和空气中的氧气之间的相互作用。学校里的每个孩子都知道我们呼吸的空气中的这种“氧化”化学反应。还有什么可研究的？例如，雷根斯堡大学的研究人员想要深入了解氧化反应的微观基础。

氧气是一种神奇的分子，它具有磁性。在液体形式中，它可以用像铁屑这样的磁铁提起。这种性质与氧气中的电子有关。所有分子都由原子核和电子组成，它们的行为又像微小的罗盘针。通常，电子的罗盘针是成对相对的，因此它们的磁力会相互抵消。但是在由两个氧原子组成的氧分子中，两个罗盘指针指向相同的方向，并且氧具有磁性。

另一方面，染料分子没有磁性，因为电子的罗盘针指向相反的方向。如果光落在这样的分子上，它会以某种颜色被吸收，从而使染料具有独特的外观。光的能量被转移到染料分子中的一个电子上。这取消了任何两个电子的配对，因此电子的罗盘针可以自发地改变其方向。它不能回到原来的状态，因为针现在指向同一个方向。这种效应是一种被光激发的磁态，即所谓的“三重态”。

由 Jascha Repp 教授领导的国际研究团队现在首次研究了这种“三重态能量”如何从单个染料分子转移到单个氧分子。这个过程在日常生活中至关重要，因为许多氧化反应是通过激发的三重态发生的。只要分子处于这种状态，吸收光的能量就会保留在分子中。这促进了化学反应。对于分子的完全去激发，罗盘针的方向的另一次反转是必要的，这不太可能并且需要很长时间。或者，可以将能量转移到另一个磁性分子氧。通过这种转移，染料分子失去能量，但氧气变得活泼，例如可以漂白染料。

该团队现在成功地跟踪了从染料到氧气的能量转移，而不会破坏染料。为此，将单个分子在接近绝对零的非常低的温度下带到表面上，并用所谓的原子力显微镜成像，即尖端有一个原子的细针，它在分子上移动。通过巧妙的电脉冲序列将染料制备成三重态。现在可以通过随着时间的推移测量尖端和分子之间的力来跟踪能量转移到氧气。 

这一惊人的突破发表在领先的科学杂志《科学》上。科学家们希望最终获得对氧化反应进行微观理解的基础。除了令人讨厌的 T 恤褪色外，分子中三重激发的这种相互作用还在未来相关技术中发挥着核心作用，例如在有机发光二极管 (OLED) 和太阳能电池、光催化能量转换和光合作用中，并在光动力癌症治疗中。

就方法而言，这是一种在时间和空间上都可以解决的新形式的显微镜，符合新的雷根斯堡超快纳米显微镜中心 (RUN) 的研究理念，该中心的研究大楼目前正在雷根斯​​堡校园内建造。

参考： Peng J、Sokolov S、Hernangómez-Pérez D 等人。原子分辨的单分子三重态猝灭。科学。2021；373（6553）：452-456。doi:  10.1126/science.abh1155