分子結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)態(tài)過程成功拍攝

周晏銘

東大、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（以下稱JST）及日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（以下稱產(chǎn)綜研）的研究小組成功拍攝到了有機(jī)分子結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程。該小組首先合成出了類似細(xì)胞膜主要成分——脂質(zhì)分子化合物。接著，使該化合物在真空中揮發(fā)，封入碳奈米管（CNT）中，利用高解析度電子顯微鏡進(jìn)行觀察。並以秒為單位，對(duì)飽和烴鏈的運(yùn)動(dòng)及其在CNT中的往返運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了確認(rèn)。

　　除上述實(shí)驗(yàn)外，該小組還宣佈，如果將該分子封閉在直徑1.2nm的CNT中，還能夠以秒為單位直接拍攝分子動(dòng)態(tài)影像。能夠觀察到具有2條烴鏈的分子，其2條烴鏈在CNT中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)狀況。所拍影像證實(shí)，烴鏈並不是連續(xù)性的，而是由一種形態(tài)跳躍性地向另一形態(tài)轉(zhuǎn)換。該小組表示，在分子級(jí)別觀察到這一現(xiàn)象在業(yè)界還是“首次”。

　　該研究的目標(biāo)是“像看分子模型那樣，觀察有機(jī)分子的形態(tài)變化”。但是分子在真空中會(huì)快速移動(dòng)，而且照射電子束還會(huì)容易破壞分子。該研究小組此次通過將有機(jī)分子封閉在CNT中以降低分子的運(yùn)動(dòng)速度，並且減少由電子束產(chǎn)生的熱量，消除分子之間發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一分子的直接觀察。此次的觀察實(shí)驗(yàn)採用了解析度為2.1埃（0.21nm）、加速電壓為120kV的透射電子顯微鏡（TEM）。

　　在該研究中，可輕鬆識(shí)別對(duì)象分子的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。因此，該研究小組通過將觀察對(duì)象——硼簇(Boron Cluster)與柔軟的鏈狀烴分子相結(jié)合，合成出了具有類似脂質(zhì)分子的特徵性結(jié)構(gòu)的分子，並對(duì)其進(jìn)行了觀察。 　　將合成的分子封閉在直徑0.9nm的碳奈米管中，在顯微鏡觀察下採用電子能量損失譜來確認(rèn)硼原子。另外還證實(shí)，通過識(shí)別合成的分子結(jié)構(gòu)，還可在電子顯微鏡下觀察單一分子。由於顯微鏡的解析度達(dá)不到1.5埃（0.15nm）這一碳-碳結(jié)合長(zhǎng)度，因此無法確認(rèn)單個(gè)碳原子，不過卻能清晰地辨認(rèn)出由碳鏈和硼組成的球狀部分。 　　

這種封閉到直徑1.2nm的CNT中的實(shí)驗(yàn)，能夠觀察到分子以10nm/秒的速度前後運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，分子的速度是在頻繁變化的；當(dāng)分子附著在CNT上時(shí)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了停止。

　　從此次的觀察實(shí)驗(yàn)可以推測(cè)，觀察對(duì)象物——脂質(zhì)分子在細(xì)胞膜內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，也會(huì)呈階段性變化。目前烴分子被廣泛應(yīng)用於潤(rùn)滑油，雖然潤(rùn)滑現(xiàn)象是無數(shù)分子共同作用的結(jié)果，但從實(shí)驗(yàn)中可以看出，各分子並不是同時(shí)在平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng).

2007/2/28