我們很多時候都面臨著“選擇困難”的情景，比如說畢業時選擇繼續深造還是走上社會求職，比如在投資時選擇穩健的投資方式還是風險較大但收益也可能較大的投資方式等等。總之，選擇的兩頭總有利弊，需要權衡，要打破穩定的平衡狀態。
今天我們就來探討一下原子、分子層面的“選擇”難題。
如何才能“看到”原子和分子？
我們知道，原子是構成物質世界的基本元素，原子之間通過化學鍵的作用可以形成分子。原子的半徑一般在10-11~10-10m的量級，而人眼的分辨只能達到10-4m，這些精細結構是人眼所無法分辨的。
為此，科學家們先後發明了掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）。掃描隧道顯微鏡，顧名思義，就是利用量子隧穿效應來呈現物質表面的原子級特性；而原子力顯微鏡，則是利用了原子之間的作用力。
隨著計算機性能的迅猛發展，科學家們還利用“第一性原理計算”來研究複雜體系的基本性質。將掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和第一性原理計算相結合，已成為科學家在原子、分子層次研究表面物理和化學過程的強有力手段。
有機分子的活化“選擇”
有機分子的可控選擇性功能化對在原子尺度實現低維材料的精準構造具有重要意義。活化分子，是指將分子從基態轉變成容易發生化學反應的活躍狀態。被活化的分子之間相互碰撞，才會發生化學反應。
對分子中的不同官能團進行活化，所需要的能量是不同的。而對於分子中的相似基團而言，將它們活化所需要的活化條件幾乎是相同的。這些相似的基團分佈在分子中的不同位置，活化其中任意一個併發生化學反應，往往會得到性質截然不同的產物。如何針對性地對其中一個基團進行活化，繼而得到預設的產物，是傳統化學合成中的一個歷史性難題。
對於一個對稱的分子，處在等價位置上的基團是完全一樣的，所以稱之為等價基團。對這些等價的基團進行有選擇的活化看似是一個不可能完成的任務。既然傳統的化學合成方法實現不了，不如換一條路走。
表面合成，是近年來備受關注的一種合成方法。利用金屬單晶表面的催化和限域效應，合成出了大量傳統溼法化學方法所無法合成的低維功能性納米材料。那麼，是否可以利用金屬表面對有機分子中的等價基團進行選擇性的活化呢？
用銅，“逼著”對稱分子做出“選擇”
最近，中科院物理所、蘇州大學和德國吉森大學的科學家們在一個對稱分子做了活化“選擇”的實驗。這個對稱分子是4,4″二氨基對三聯苯（DATP）分子，它長成下面這樣↓↓
科學家把DATP分子放在銅Cu(111)表面上，然後發現，DATP分子吸附在Cu(111)表面上時會出現對稱性的破缺。這時DATP分子中原本等價的兩個氨基出現了結構和電子性質的差異，選擇性的活化其中一個成為了可能。
鏡面對稱的DATP分子在Cu(111)表面上吸附時，分子長軸沿著[11-2]及其等價晶向方向，分子一端呈現模糊的特徵，分子的鏡面對稱被打破，使得兩端的氨基不等價（圖1）。
圖1 原子力顯微鏡圖像中，DATP分子在Cu(111)表面的不對稱吸附構型。
DATP分子與Cu(111)是晶格失配的。可以這麼理解，爸爸牽著小朋友走路，DATP分子的長度就如同爸爸的步長，而Cu的晶格就是小朋友的步長，兩個人的步長一大一小，始終無法匹配。
這種晶格失配使得DATP分子內兩個等價的氨基官能團吸附在銅表面的不同位置，一端吸附在銅原子的頂位(top)，另一端吸附在表層Cu原子的空心位(fcc)（圖2）。
圖2 DATP分子在Cu(111)表面的第一種不對稱的吸附構型。
同時，科學家發現，吸附在頂位(top)的氨基相比另一端的氨基與銅表面的距離更近，與表面的相互作用更強，因此活化程度更強，使其在針尖的影響下呈現非穩態特徵，並且優先與2-三亞苯甲醛(TPCA)分子以氫鍵結合（圖3）。
圖3 DATP和TPCA分子的自組裝。
DATP分子與Cu(111)表面的晶格失配引起的分子不對稱吸附和特定官能團的活性增強，為對稱分子中等價基團的選擇性功能化提供了一種廣泛使用的途徑，為表面上的不對稱化學反應提供了一條新的思路，也讓我們在原子、分子層面有了更進一步的瞭解和認識。
相關成果發表在 Nature Communication（2018, 9, 3277）上。
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