【碉堡向】【物理学家们可以看见化学键了~！】用原子力显微镜看见纳米石墨烯的合成 | 环球科技观光团小组 | 果壳网 科技有意思
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原文戳这里： 早上醒来随手刷微博的时候在 的微博里 看到了，当时那个震惊啊~！瞬间就精神了随后补充到，苏黎世IBM有个组05年就已经能够“看见”不同能级的分子轨道了：嗷嗷嗷物理学家一定是这个世界上最可爱的人&w &~~==========闲==话==和==渣==翻==译==的==分==割==线============当美国能源部的lawrence伯克利国家实验室（简称伯克利实验室）的Felix Fisher在想法子用新的可控的方式看见化学反应中石墨烯的纳米结构时，第一份结果是非常惊人的：他得到了能看见单个碳原子和它们之间共价键的美妙图像。“我们并没有想到要去拍这些漂亮的图案；我们本来是冲着这个化学反应去的，”Fisher说，“但要在单原子的尺度下看见发生了什么，我们得用Michael Crommie的实验室里的一台反应格外敏锐的原子力显微镜。”Fisher是伯克利实验室材料科学部的一名研究员，也是伯克利大学的化学教授。Crommie也是材料学部的研究员，是伯克利的物理教授。那台显微镜展示给研究人员的东西“令人惊叹”，Fisher如是说。这个反应的特殊结果已然很出人意料了，但这份视觉证据比它更出人意料。“没有人曾经在一个复杂有机反应的前后给单个的分子拍过这样能看见单个化学键的图像，”Fisher说。研究人员将发表其成果在6月7日的《科学》杂志上，目前可以提前在《科学快讯》上看到。从小到大，合成纳米石墨烯纳米石墨烯可以构成电晶体、逻辑门，以及其他小而精巧的电子元件；不过要投入实用，它们得在原子精度下实现量产。目前的技术——例如从石墨上或者碳纳米管上剥离——成败随机，靠由大至小分出来，不能很好地完成量产的任务。Fisher和他的同事们便着手开发一种从小到大合成石墨烯的方法：利用伯克利教授Robert Bergman原创的反应，将线性链状的碳原子转化为延展的六边形平面（即聚芳烃）。要使这个方法可行，第一个要求便是将反应可控化。图注：在一个平展银质的表面上，最初的反应物质在反应前后都被拍了照，而整个反应发生在90℃以上的温度下。图中展示了两种最常见的终产物。右下角3埃的比例尺 表明出它的纳米尺度。“在溶液中，我们用的这个反应会产出十好几种产物，要将目标产物分离将会很困难，”Fisher说，“我们没有采用三维的溶液体系去进行这个反应，取而代之构造了一个二维的体系。我们把起始反应物放在银质表面上，然后通过加热来引发反应。”Fisher的课题组和专家Crommie合作，一同设计尽可能好的“拍照”方式。最初的方法是用扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope, STM）来追踪反应进度，它能在样品表面几纳米的范围内感知到不同的电子态。不过这种方法“拍”出的图像分辨率并不高，不足以用于确定分子的结构——他们要看的分子也不过一纳米左右宽。研究者们接下来尝试了一种叫非接触式原子力显微镜（noncontact atomic force microscopy, nc-AFM）的技术，它用一个灵敏的分子探头来探测样品表面。这个探头在距离样品非常近的时候会在电子力下偏斜，就像留声机的探头在唱片凹槽时一样运动。“AFM的探头上吸附了一个一氧化碳分子，它的氧原子承担了探测的功能，”Fisher说，“将这个‘原子手指’像阅读布来叶盲文一样在银质表面上前后移动，就好像我们正在用它感知这些原子写出来的原子尺度下的字点一样。”Fisher提到，这个高分辨率的AFM成像法是IMB苏黎世分部的Gerhard Meyer的组首先使用的，“但是我们这里是在用它帮助理解基本化学反应的结果。”图注：当非接触式原子力显微镜的单原子探针在样品上方恒定高度下来回移动时，它“感知”到样品表面电子力的变化。由此带来的探头变化被激光束检测并用电脑成像。Nc-AFM的单原子探针不仅能够感知到单个的原子，而且还能“摸”出代表着化学键的原子间作用力。最后得到的图像与教科书或者黑板上画出的化学键示意图有着惊人的相似，只不过这里的图不是人们想象出来的。Fisher说：“所见即所得——你能看见原子间相互作用的电子力，甚至能看出键级。你能从中分辨出单键、双键和三键。”然而“化学键”这个概念并没有看上去那么简单。在那十好几种可能中，起始分子并没有变成Fisher和队友们直觉上最有可能形成的产物。相应的，反应产生了两种不同的分子。银质表面使反应得以可视化，但同时也出乎意料地重塑了反应进程。Nc-AFM显微镜为这些有机合成反应提供了震撼的视觉证据，而这些反应所呈现的意外结果进一步强化了这个新方法在合成前沿纳米电子元件方面的前景。在这个反应能用于制备更多更复杂的石墨烯纳米结构之前，“更多的未知等待着人们去探索，”Fisher说。
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杀~一直以为化学键只是能量上的存在
太棒了！！HOMO&LUMO原来真的是那个样子。。。改变化学家眼睛的东西出现了。
这个发现可真是了不起！
资深美食达人
这是史诗……好吧 至少让我看到简介的时候颤栗
引用 的话：这是史诗……好吧 至少让我看到简介的时候颤栗我也颤栗了………………本来还想睡个回笼觉的，当时就精神了
我擦！！！！！！！！！！！！！太牛气哄哄了！！！！！一瞬间就清醒了！！！！！！
毕设就在做石墨烯银基复合材料、、、
wow，膜拜膜拜啊
STM同样可以观察到电子云嘛。我觉得惊人之处大概就在于AFM得出的图像与我们的模型出奇一致吧。但是怎么样才算“看到”化学键说实话真心不好判定，说到底最后还是“有用好用”就行。
太清晰了吧！
那不是电子云么
同问啊共价键那应该是电子云分布吧那本质是检测到了当前电子云的分布么？
引用 的话：同问啊共价键那应该是电子云分布吧那本质是检测到了当前电子云的分布么？引用 的话：那不是电子云么看文章的意思好像是这样，因为本质是检测电子力啊~
图的英文字母求翻译
引用 的话：图的英文字母求翻译LUMO: lowest unoccupied molecular orbital最低未占用轨道HOMO: highest occupied molecular orbital最高占用轨道左边一栏是显微镜和探针类型
引用 的话：杀~一直以为化学键只是能量上的存在这个显微镜本来就是观察极小尺度下的原子力效应的啊。
引用 的话：LUMO: lowest unoccupied molecular orbital最低未占用轨道HOMO: highest occupied molecular orbital最高占用轨道左...这几个查到了。STM和DFT是什么？
引用 的话：这几个查到了。STM和DFT是什么？STM: scanning tunnel microscope扫描隧道显微镜DFT： density functionaltheory密度泛函理论
存疑HOMO是没有问题的，轨道里填了电子LUMO有点问题，作为未占轨道，其中什么也没有啊，只是理论计算的结果（当然从量子论角度讲还是有极低几率的电子存在，但这种极低使得其在宏观上很难产生结果，尤其是这种电子相互作用的成像机理）说白了LUMO就是客观上不存在的东西，怎么扫描出图像的？
勘查技术与工程专业，编程爱好者
看到DFT第一反应是傅里叶变换……
引用 的话：这几个查到了。STM和DFT是什么？DFT那个是理论模型给出来的对照………………不是实际拍出来的引用 的话：看到DFT第一反应是傅里叶变换……差点也看错了……不过这里显然密度泛函更合适
引用 的话：疑HOMO是没有问题的，轨道里填了电子LUMO有点问题，作为未占轨道，其中什么也没有啊，只是理论计算的结果（当然从量子论角度讲还是有极低几率的电子存在，但这种极低使得其在宏观上很难产生结果，尤其...你可以去看链接里的链接里的原文献……
引用 的话：STM同样可以观察到电子云嘛。我觉得惊人之处大概就在于AFM得出的图像与我们的模型出奇一致吧。但是怎么样才算“看到”化学键说实话真心不好判定，说到底最后还是“有用好用”就行。精辟
我个人觉得AFM的手段可以说是“摸”到了化学键。个人臆想，不代表学术观点。
引用 的话：我个人觉得AFM的手段可以说是“摸”到了化学键。个人臆想，不代表学术观点。嗯，确实这样说比较形象
给一张很漂亮个化学元素周期表
弱弱地问一下，三键的键长比苯环上的大π要短那么多么？
当年玩AFM看分子结构的时候就看过了。。。不过分子结构应该比这个大
当年玩AFM看分子结构的时候就看过了。。。不过分子结构应该比这个大
当年玩AFM看分子结构的时候就看过了。。。不过分子结构应该比这个大
引用 的话：弱弱地问一下，三键的键长比苯环上的大π要短那么多么？是啊，sp轨道的s属性更强啊~
地质学硕士生
爆了。。。难道这验证了上百年的用法？化学家又走在了前面？
引用 的话：当年玩AFM看分子结构的时候就看过了。。。不过分子结构应该比这个大愿闻其详。
引用 的话：是啊，sp轨道的s属性更强啊~刚查了一下，常见双键键长大概130pm，而三键120pm左右。。。总觉得这里的三键看起来有点短。。。
引用 的话：刚查了一下，常见双键键长大概130pm，而三键120pm左右。。。总觉得这里的三键看起来有点短。。。不过苯环上的也不是双键啊
其实特想知道反应历程……
引用 的话：当年玩AFM看分子结构的时候就看过了。。。不过分子结构应该比这个大求详细！！！
引用 的话：不过苯环上的也不是双键啊凯库勒结构式，大家都这么画，这样画有利于展示一些反应机理，比如硝化反应、苯炔中间体
原子力显微镜我也用，但我用的那台是接触式的，看看细菌什么的无压力，但是看分子。。。美帝碉堡了。
简直不可置信啊....
恩，《科学》“杂质”过滤之后是啥？
引用 的话：恩，《科学》“杂质”过滤之后是啥？啊我错了QAQ.....
引用 的话：恩，《科学》“杂质”过滤之后是啥？已改&，&……
看来以后有机四大波谱之外还得新增一种了
引用 的话：求详细！！！当年做光子晶体，原料是用某种纳米泡沫，然后就是用AFM来观察纳米泡沫结晶后的结构，尺度好像是10纳米范围，非常清晰的说
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＞＞＞1828年，德国化学家维勒（F·WOhler）冲破了生命力学术的束缚，在实..
1828年，德国化学家维勒（F·WOhler）冲破了生命力学术的束缚，在实验室里将无机物氰酸铵（NH4CNO）溶液蒸发，得到了有机物尿素[CO(NH2)2]。下列说法中错误的是
A. 实验中一定发生了化学变化 B．无机物和有机物在一定条件下是可以相互转化的C. 氰酸铵和尿素的化学式相同 D．实验中一定没有发生物理变化
题型：单选题难度：偏易来源：期末题
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据魔方格专家权威分析，试题“1828年，德国化学家维勒（F·WOhler）冲破了生命力学术的束缚，在实..”主要考查你对&&化学式的写法和意义，物理变化和化学变化的特征和判别&&等考点的理解。关于这些考点的“档案”如下：
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化学式的写法和意义物理变化和化学变化的特征和判别
概念：用元素符号和数字的组合表示物质组成的式子，叫做化学式。如可用O2，H2O，MgO分别表示氧气、水、氧化镁的化学式。 对概念的理解： (1)混合物不能用化学式表示，只有纯净物才能用化学式表示。 (2)每一种纯净物只有一个化学式，但一个化学式有可能用来表示不同的物质。如氧气的化学式是O2，没有别的式子再能表示氧气；P既是红磷的化学式，也是白磷的化学式。(3)纯净物的化学式不能臆造，化学式可通过以下途径确定：①科学家通过进行精确的定量实验，测定纯净物中各元素的质量比，再经计算得出。②已经确定存在的物质可根据化合价写出。书写规则： 1.单质化学式的写法： 首先写出组成单质的元素符号，再在元素符号右下角用数字写出构成一个单质分子的原子个数。稀有气体是由原子直接构成的，通常就用元素符号来表示它们的化学式。金属单质和固态非金属单质的结构比较复杂，习惯上也用元素符号来表示它们的化学式。 2.化合物化学式的写法： 首先按正前负后的顺序写出组成化合物的所有元素符号，然后在每种元素符号的右下角用数字写出每个化合物分子中该元素的原子个数。一定顺序通常是指：氧元素与另一元素组成的化合物，一般要把氧元素符号写在右边；氢元素与另一元素组成的化合物，一般要把氢元素符号写在左边；金属元素、氢元素与非金属元素组成的化合物，一般要把非金属元素符号写在右边。直接由离子构成的化合物，其化学式常用其离子最简单整数比表示。化学式的读法：一般是从右向左叫做“某化某”，如“CuO”叫氧化铜。当一个分子中原子个数不止一个时，还要指出一个分子里元素的原子个数，如“P2O5”叫五氧化二磷。有带酸的原子团要读成“某酸某”如“CuSO4”叫硫酸铜，还有的要读“氢氧化某”，如“NaOH”叫氢氧化钠。“氢氧化某”是碱类物质，电离出来的负电荷只有氢氧根离子。化学式的意义：（1）由分子构成的物质
（2）由原子构成的物质(以Cu为例) 宏观：表示该物质：铜表示该物质由什么元素组成：铜由铜元素组成微观：表示该物质的一个原子—一个铜原子。化学式和化合价的关系：（1）根据化学式求化合价①已知物质的化学式，根据化合价中各元素的正负化合价代数和为0的原则确定元素的化合价。标出已知、未知化合价：列出式子求解：（+1）×2+x×1+（-2）×3=0 x=+4②根据化合价原则，判断化学式的正误，如判断化学式KCO3是否正确标出元素或原子团的化合价计算正负化合价代数和是否为0：（+1）×1+（-2）×1=-1≠0，所以给出的化学式是错误的，正确的为K2CO3。③根据化合价原则，计算原子团中某元素的化合价，如计算NH4+中氮元素的化合价和H2PO4-(磷酸二氢根)中磷元素的化合价。由于NH4+带一个单位的正电荷，不是电中性的，因此各元素的化合价代数和不为多，而是等于+1. 设氮元素的化合价为x x+(+1)×4=+1 x=-3 所以在NH4+中，氮元素的化合价为-3. 同理H2PO4-带一个单位的负电荷、不是电中性的、因此各元素的化合价代数和不为零，而是-1. 设磷元素的化合价为y(+1)×2+y+(-2)×4=-1 y=+5 所以在H2PO4-中磷元素的化合价为+5. ④根据化合价原则，确定物质按化合价的排序。如H2S，S，SO2，H2SO4四种物质中均含有硫元素，并且硫元素的化合价在四种物质中分别为：-2，0， +4，+6，故这四种物质是按硫元素的化合价由低到高的顺序排列的。（2）根据化合价写化学式根据化合物中化合价的代数和等于0的原则，已知元素的化合价可以推求实际存在物质的化学式，主要方法有两种：①最小公倍数法
确定化学式的几种方法:1. 根据化合价规则确定化学式例1：若A元素的化合价为+m，B元素的化合价为-n，已知m与n都为质数，求A，B两元素化合后的物质的化学式。 解析：由题意知正、负化合价的最小公倍数为m ·n，A的原子个数为(m·n)/m=n，B的原子个数为 (m·n)/n=m 答案：所求化学式为AnBm. 2. 根据质量守恒定律确定化学式例2：根据反应方程式2XY+Y2==2Z，确定Z 的化学式解析：根据质量守恒定律，反应前后原子种类不变，原子数目没有增减，反应前有两个X原子，四个Y原子，则两个Z分子含有两个X原子和四个Y原子。 答案：z的化学式为XY2 3. 利用原子结构特征确定化学式例3：X元素的原子核外有17个电子，Y元素的原子最外层有2个电子，求X、Y两元素所形成的化合物的化学式。 解析：X元素的原子核外有17个电子，Y元素的原子最外层有2个电子，X原子易得1个电子，Y原子易失2个电子，根据电子得失相等可求化合物的化学式为YX2 4.利用元素质量比确定化学式:例4：有一氮的氧化物，氮、氧两元素的质量比为7: 4，求此氧化物的化学式。 解析：设此氧化物的化学式为NxOy，根据xN:yO =7:4 得14x:16y=7:4，即x:y=2:1。答案：所求氧化物的化学式为N2O。 5. 利用化学式中所含原子数、电子数确定化学式例5：某氮氧化合物分子中含有3个原子，23个电子，求此化合物的化学式。 解析：设此化合物的化学式为NxOy，则x+y=37x+8y=23解得x=1，y=2答案：所求化学式NO2。利用化学式的变形比较元素的原子个数：例：质量相等的SO2和SO3分子中，所含氧原子的个数比为?解析：SO2的相对分子质量为64，SO3的相对分子质量为80，二者的最小公倍数是320，二者相对分子质量相等时物质的质量相同，转化为分子个数SO2 为320/64=5，SO3为320/80=4，即5SO2与4SO3质量相同，所以含氧原子的个数比为(5×2):(4×3)=10:12=5:6。四、利用守恒法进行化学式计算：例：由Na2S、Na2SO3、Na2SO4三种物质构成的混合物中，硫元素的质量分数为32%，则混合物中氧元素的质量分数为？&解析：在Na2S，Na2SO3，Na2SO4中，钠原子与硫原子的个数比是恒定的，都是2:1，因而混合物中钠、硫元素的质量比(或质量分数比)也是恒定的。设混合物中钠元素的质量分数为x，可建立如下关系式。 Na ——S46　　32x　　　32%46/32=x/32%解得x=46%混合物中氧元素的质量分数为1-32%-46%=22%。利用平均值法判断混合物的组成找出混合物中各组分的平均值(包括平均相对原子质量、平均相对分子质量、平均质量、平均质量分数等)，再根据数学上的平均值原理，此平均值总是介于组成中对应值的最大值与最小值之间，由此对混合物的组分进行推理判断。例：某气休可能由初中化学中常见的一种或多种气体组成，经测定其中只含C，O两种元素，其质量比为3:8，则该气体可能是？解析：由题给条件知，该气体只含C，O两种元素，而这两种元素组成的气体可能是CO2、CO，O2。CO2中C，O两种元素的质量比是3：8，CO中C，O两种元素的质量比是3:4，O2中C，O两种元素的质量比是0 (因C的质量为0)。题中给出该气体中C，O两种元素的质量比是3:8，故符合题意的气体组成为：CO2或 CO，O2或CO，O2，CO2。 利用关系式法解题技巧：关系式法是根据化学式所包含的各种比例关系，找出已知量之间的比例关系，直接列比例式进行计算的方法。例： 多少克(NH4）2SO4与42.4g尿素CO(NH2)2所含的氮元素质量相等?设与42.4g尿素中所含氮元素质量相等的(NH4）2SO4的质量为x(NH4）2SO4——2N——CO(NH2)2　　132　　　　　　　　　60　　　x　　　　　　　　　42.4g132/x=60/42.4gx=93.28化学式前和化学式中数字的含义：①化学式前面的数字表示粒子(原子、分子)数目；②离子符号前的数字表示离子的数目；③化学式石一下角的数字表示该粒子中对应原子或原子团的数目；④离子符号右上角的数字表示该离子所带电荷数。物理变化： 1. 定义：没有生成其他物质的变化 2. 实例：灯泡发光，冰融化成水；水蒸发变成水蒸气；碘，干冰的升华，汽油挥发，蜡烛熔化等都是物理变化。化学变化：1. 定义：物质发生变化时生成其他物质的变化。2. 实例：木条燃烧，铁生锈，食物腐烂3. 现象：化学变化在生成新物质的同时，时常伴随着一些反应现象，表现为颜色改变，放出气体，生成沉淀等，化学变化不但生成其他物质，而且哈伴随着能量的变化，这种能量变化常表现为吸热，放热，发光等。物理变化：1. 特征：没有新物质生成。2. 微观实质：分子本身没有变（对于由分子构成的物质），主要指形状改变或三态变化。化学变化：1. 特征：有新物质生成2. 微观实质：物质发生化学变化时，反应物的分子在化学反应中分成了原子，原子重新组成构成新分子。物理变化概念的理解：(1)扩散，聚集，膨胀，压缩，挥发，摩擦生热，升温，活性炭吸附氯气等都是物理变化(2)石墨在一定条件下变成金刚石不是物理变化而是化学变化，因为变成了另一种物质(3)物理变化前后，物质的种类不变，组成不变，化学性质不变(4)物理变化的实质是分子的聚集状态发生了改变，导致物质的外形或状态随之改变。成语、俗语、古诗词蕴含的化学知识(1)成语、俗语中的变化 ①物理变化：只要功夫深，铁柞磨成针；冰冻三尺非一日之寒；木已成舟；滴水成冰；花香四溢等。 ②化学变化：百炼成钢、点石成金、蜡炬成灰等。(2)古诗词中的变化于谦的《石灰吟》：千锤万凿出深山—物理变化烈火焚烧若等闲—化学变化粉身碎骨浑不怕—化学变化要留清白在人间—化学变化物质的三态变化（1）物态变化是指同一种物质可在固态，气态，液态三种状态发生转化的过程，如下图，物态变化过程没有新物质生成，属于物理变化。（2）物态变化过程中的名称和热量变化
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A 、实验中一定发生了化学变化
B 、无机物和有机物在一定条件下是可以相互转化的
C 、氰酸铵和尿素的化学式相同
D 、实验中一定没有发生物理变化
解：A、由题意，无机物氰酸铵（NH4CNO）溶液蒸发，得到了有机物尿素[CO（NH2）2]，有新物质生成，属于化学变化；
B、由题意无机物氰酸铵（NH4CNO）溶液蒸，生成了有机物尿素[CO（NH2）2]，说明无机物和有机物在一定条件下是可以相互转化的；
C、由氰酸铵（NH4CNO）、尿素[CO（NH2）2]的化学式可以看出，氰酸铵和尿素的化学式相同；
D、化学变化的过程中往往伴随着物理变化，故错误．
A、由物理变化和化学变化的特征分析判断；
B、由题意无机物氰酸铵（NH4CNO）溶液蒸发，生成了有机物尿素[CO（NH2）2]，据此分析判断；
C、由两物质的化学式分析判断；
D、化学变化的过程中往往伴随着物理变化．全站导航：
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