创新研究！首次利用球机器人型碳烯生产聚合物！

近年来，N-杂环卡宾（NHCs）这种与金属表面结合良好的小反应性环分子引发了金属表面稳定化学改性领域的广泛兴趣。在德国明斯特大学的研究中，某些NHC衍生物展示出锚定在单个金属原子上，甚至可以从表面完全提取单个原子的特性。这类分子表现出类似球形机器人的滑行能力，这项发现激发了科学家的好奇心和探索欲望。
鉴于此，近期由明斯特的物理学家和化学家与中国的研究人员合作首次成功地使卤化NHC在金属表面产生了长链移动聚合物--分子链。这项工作的详细内容已发表在《自然-化学》（Nature Chemistry）杂志上。成功地将卤化NHC在金属表面产生了一种长链移动聚合物，也就是分子链。
研究概述
这项研究不仅仅局限于单体NHC的应用，而是报道了金表面NHC聚合物的合成，该聚合物由与单个 Au 吸附原子结合的球机器人型重复单元组成。研究设计、合成并在超高真空下将含有不同卤素的前驱体沉积在金表面上。通过结合低温扫描隧道显微镜、非接触原子力显微镜、X射线光电子能谱、第一性原理计算和反作用力场模拟来评估构象、电子和电荷传输特性。已证实的 NHC 的球形机器人性质解释了不相称的 NHC 聚合物的高表面迁移率，这是其所需空间排列的先决条件。流动性和聚合速率之间的微妙平衡允许导出控制聚合物方向性的基本参数。这些聚合物在纳米电子学、表面功能化和催化领域开辟了新的机遇。
图文导读
研究开发出的卤代NHC具备在贵金属表面上自发形成吸附原子的特性，以及由此产生的高迁移率。这为这些分子在表面上的集聚以及与其他反应体系的相互作用提供了基础条件。
通过实验结果、理论计算和模拟，研究人员成功地找到了单体结构单元的化学反应性和迁移率之间的平衡点。这一成功既归功于单体的球形特性，使其能够在表面上轻松移动；同时也需要足够长的接触时间，以确保反应发生。而实现这一平衡首先要依赖于实验过程中的分子结构和适当的温度控制。
图1：表面NHC的一般方面
在表面精密化学领域，控制化学反应并为所需的反应产物提供确凿证据，必须依赖高度专业化的制备和分析实验。这种领域需要超高真空条件，通常在零下268摄氏度的低温下操作，以避免任何意外污染。同时，也需要在分子水平上观察化学反应的中间步骤。
为了实现这些要求，研究人员联合CeNTech、NCNST、北京国家凝聚态物理中心和物理研究所的研究人员，采用了扫描探针显微镜方法（STM和nc-AFM），以及光发射光谱，来阐明发生的化学键并提供球形结构的证据。除了实验结果，还运用了基于量子力学方法和反应力场的精心设计的计算机模拟，以进一步确认实验结果的准确性。通过这种综合手段，研究团队成功解释了实验结果，并定量地分析了球形聚合物的电子和结构特性。
图2：使用量子力学密度泛函理论优化的球形型分子链的结构侧视图
表面精密化学现已成为一个独立的化学领域。与传统的试管或气相中的化学不同，这种领域需要超高真空条件，通常需要在极低温下操作，以确保化学反应在高纯度的环境中进行。同时，这种方法也使得我们能够在分子水平上观察到化学反应的中间步骤，这对于研究分子间相互作用和反应路径具有重要意义。
固体表面，特别是具有纳米结构的表面，不仅作为反应的平台和基底，还可以在催化反应中发挥支持作用。这种表面能够控制分子的排列方式，从而影响反应产物的选择性几何排列。通过表面精密化学，我们在纳米尺度上开启了精确控制分子行为的新可能性。
参考文献
Jindong Ren et al, On-surface synthesis of ballbot-type N-heterocyclic carbene polymers, Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01310-1