UCI科学家首先观察并描绘了所有重要的分子振动

通过将光聚焦到原子的大小，加州大学欧文分校的科学家们已经产生了分子正常振动模式的第一个图像 - 内部运动驱动所有事物的化学，包括活细胞的功能。

在自然界的一项研究中 ，UCI的时空极限化学中心的研究人员 描述了他们如何将扫描隧道显微镜的原子端接银尖定位于目标上：一种固定在铜平台上的钴基卟啉分子。

用限制在银原子上的光来刺激分子，研究小组钻研了分子的叽叽喳喳原子中的量子状态，成为第一个记录振动光谱并观察将原子连接在一起的电荷和电流如何由分子振动。

“从化学中的结构变化到分子信号传导，生命中的所有动力学过程都与分子振动有关，没有这些分子振动，所有这些都将被冻结，”共同作者V. Ara Apkarian，CaSTL主任和UCI化学杰出教授说。“我们早就意识到这些振动。多年来，我们一直在通过光谱学测量它们的频率 - 但是现在我们才能看到什么在移动以及如何移动。“

共同作者，CaSTL研究科学家Joonhee Lee补充说：“迄今为止，分子振动已经用摆动球和连接弹簧分别代表原子和键来图解说明。现在我们可以直接观察单个原子在分子内如何振动。我们提供的图像将出现在教科书中，以帮助学生更好地理解振动正常模式的概念，这一概念至今仍是一个理论概念。“

为了达到原子分辨率，CaSTL研究人员在极高真空和低温(6开尔文)环境中进行了实验，以消除所有外部运动，并将其单原子探针定位在目标分子附近，距离小于该尺寸一个原子。玻璃镜片不适用于这种类型的显微镜，其中特征的分辨率比光的波长小一千倍。

“你可以在标准显微镜下看到的极限是光波长的一半，大约半微米，显微镜从中得到它的名字，”Apkarian说。“光学显微镜彻底改变了细胞生物学，因为通过它可以观察到细胞内发生的事情 - 但是一个分子的大小是细胞的千分之一。”

在他们的实验中，研究小组戳了戳并刺激了钴基分子，银原子被激光照射，冒着激动目标的风险。CaSTL科学家通过将样品冷冻到铜基板上来减轻这种可能性。该分子通过与铜结合而变平，使其自身暴露于扫描隧道显微镜尖端的近距离接近。

通过相对于样品上下移动银尖以保持约2埃的距离(1埃等于十亿分之一米)，研究人员能够记录分子内不同位置的频率差异。他们坚持认为，令人难以置信的分辨率源于等离子体的量子力学隧穿(电子与光相互作用)，反驳了隧道效应会减少激发分子所需的电场的观念。

“我们现在有一台可以解析原子的显微镜，我们用它来查看分子内部，这在几年前是不可想象的，”Apkarian说。“光学显微镜的空间分辨率已经提升了另一个档次，我们在这种规模上所看到的确实令人惊叹。”

接下来，CaSTL科学家将进一步完善他们对分子内电场的测量，努力检测分子结构中原子缺失的位置，并使用量子干涉原理来表征更精细的细节。

“这个由美国国家科学基金会支持的团队通过克服不可能的障碍来开发一种新的仪器，以便在实时和空间中”看到“分子中的单个原子，从而达到了一个重要的里程碑，”NSF化学项目主任Kelsey Cook说。“本发明将导致对分子如何反应和细胞功能的前所未有的转化理解。”

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