吳凱課題組在分子分形結(jié)構(gòu)研究中取得重大突破
時間：2021-04-06 16:43:04學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
?? 分形結(jié)構(gòu)因其特殊的數(shù)學(xué)和美學(xué)意義受到科學(xué)家們長期以來的廣泛關(guān)注。化學(xué)家們更是試圖利用共價鍵和配位鍵等來合成各類分子分形結(jié)構(gòu)體，但由于受到合成方法的種種制約，始終無法實現(xiàn)高級別、無缺陷的系列分子分形結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑。最近，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院吳凱教授課題組與北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理電子學(xué)研究所王永鋒特聘研究員及其他合作者協(xié)力合作，實現(xiàn)了謝爾賓斯基（Sierpiński）分形結(jié)構(gòu)的分子組裝，并利用超高真空低溫掃描隧道顯微鏡（STM）對這些由分子間弱相互作用驅(qū)動形成的分子分形結(jié)構(gòu)進行了亞分子水平的詳細表征。這一研究成果于2015年3月30日以“Assembling molecular Sierpiński triangle fractals”為題在線發(fā)表于《自然-化學(xué)》雜志：Nature Chemistry, 2015, 7, 389-393（DOI：10.1038/NCHEM.2211）。原文鏈接參見：http://www.nature.com/nchem/journal/v7/n5/full/nchem.2211.html
???? 該論文同時被選為Nature Chemistry當期封面文章（下圖）。Nature Chemistry雜志還專門配發(fā)了美國Indiana大學(xué)化學(xué)系Steven L. Tait教授撰寫的題為“Surface chemistry: Self-assembling Sierpiński triangles”的評論文章（Nature Chemistry，2015，7，370–371）：http://www.nature.com/nchem/journal/v7/n5/full/nchem.2238.html。
?吳凱教授及其合作者設(shè)計了一系列折線形、端基對位取代的二溴代多聯(lián)苯分子（B4PB）作為組裝前驅(qū)體，利用分子間協(xié)同的環(huán)形鹵鍵和氫鍵作用，在Ag(111)表面成功構(gòu)筑了一系列無缺陷的分子Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)（參見下圖）。通過box-counting法實驗測量了該類分形結(jié)構(gòu)的Hausdorff維數(shù)為1.68，接近于Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)的理論值（1.59）。這一系列分子分形結(jié)構(gòu)符合Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)的典型特征和遞推迭代規(guī)律，表現(xiàn)出完美的自相似性，結(jié)構(gòu)參數(shù)可以簡潔地數(shù)學(xué)表達。此外，他們還對此類分子Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)的實驗構(gòu)筑提供了具體的指導(dǎo)原則。
????圖例說明：a排為不同級數(shù)的Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)模型；b排為實驗中分子實際組裝得到的對應(yīng)Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)。n代表Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)的級數(shù)。b排圖形中的數(shù)字代表構(gòu)成該Sierpiński三角分形結(jié)構(gòu)的分子總數(shù)目。最下排的數(shù)字標尺標示了實際尺寸。
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這一研究工作為國際上首次通過分子自組裝方法在固體表面成功構(gòu)筑無缺陷的新型分子分形結(jié)構(gòu)的研究案列，為分子設(shè)計及可控自組裝構(gòu)筑分子分形結(jié)構(gòu)提供了新的方法和思路，并為分子分形結(jié)構(gòu)的性質(zhì)研究奠定了基礎(chǔ)。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院2010級博士研究生尚鑒為該文第一作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委重點項目和“可控自組裝體系及其功能化”重大研究計劃、科技部重大科學(xué)研究計劃、北京分子科學(xué)國家實驗室（籌）以及北京大學(xué)-新加坡國家研究基金會（NRF）合作項目（SPURc）的聯(lián)合資助。
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