一个普通的AFM探针尖端可以使分子发生互变异构，但是带有氙气的探针尖端却不行。由此，科研人员们相信分子发生转换，不仅仅是由于机械力的作用。
近日，欧洲的科研人员们利用机械力，实现了对有机单分子中的原子的重新排列。研究人员称，这个发现为我们打开了一扇窗户。透过这扇窗户，我们可以了解分子内部的电子动力学，进而了解和研发分子开关和马达。
最近几年，几个课题组一直在寻找吸附在金属表面，卟琳型染料单分子的调控方法。这些分子的中心有四个氮原子，并且存在多种特殊的同分异构体，被称作互变异构体。这些互变异构体的不同之处在于四个氮原子上连接的两个氢原子的相对位置。科研人员利用扫描隧道显微镜施加电压，可以克服互变异构体之间的活化能垒，使得电子在探针尖端和材料表面发生量子遂穿效应（简称：遂穿）。
英国诺丁汉大学（University of Nottingham）的Philip Moriarty没有参与这项工作，但他认为，“这种转换难以控制。当这些电子被注入、遂穿、接触到材料，并且发生扩散时，会引发意想不到的反应。”
柏林马克斯普朗克协会（Max Planck Society）弗里茨?哈伯研究所（Fritz Haber Institute）的Takashi Kumagai和同事们，利用非接触式原子力显微镜（atomic force microscopy ，AFM)解决了这个“拦路虎”。最近，AFM激发了化学家们的兴趣。因为这可以帮助他们更加精确地，在分子水平探索诸如表面催化作用和反应如何进行之类的问题。
扫描隧道显微镜的图像显示分子已经发生互变异构。
科研人员测量了覆盖有铜原子的原子级探针振动频率。在实验中，他们使探针逐渐接近卟啉衍生物。当探针针尖接近两个连有氢原子的氮原子之间的化学键时，频率首次减小到最小值，这表明在探针和分子之间存在吸引力，随后振动频率开始上升，吸引力转变为排斥力。然而，随着探针继续靠近样品，探针的振动频率再次突然下降，这说明探针受到了更大的吸引力。
密度泛函理论的计算结果表明：去质子化的氮原子之间的双键对金属针尖的吸引力，大于质子化的氮原子之间的单键对金属针尖的吸引力。因此，金属针尖和分子之间的斥力可以提供能量，把质子“推到”分子的另一侧，有效的形成了一个分子开关。这其中需要的作用力小于1nN（纳牛顿）。
然而，故事到这里还没讲完。当科研人员使用被化学惰性气体氙覆盖的针尖，重复该实验时，发现氢原子并没有“跳跃”到分子的另一侧，这表明针尖并没有“按下”开关。“这个反应不像宏观世界中的那样，仅由机械力活化，Kumagai解释道，该反应由针尖，原子和分子之间的相互作用引发，该作用力可以定义为一种两者之间的势能梯度。”
Moriarty称赞这项工作是“一个漂亮的飞跃，令人兴奋”。
翻译：杨镐羽 审稿：林然
内容源：http://www.rsc.org/chemistryworl ... n-isomers-tautomers
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