分子运动和键解离是支撑分子材料特性的两个最基本的现象。化学键解离的动力学支持所有化学反应，从气相中的简单分子到活生物体中的复杂生化过程。近年来，透射电子显微镜（TEM）已成为一种工具，可通过利用电子束快速电子转移到分子原子上的快速电子的动能来触发和成像单个分子中的键解离，同时对电子诱导的转变进行成像光束。这种概念被称为ChemTEM，其可以提供有关分子动力学的基本信息。

近日，德国乌尔姆大学Ute Kaiser，英国诺丁汉大学Andrei N. Khlobystov，Stephen T. Skowron报道了将HF和H₂O分子捕获在富勒烯C₆₀笼中，封装在单壁碳纳米管中（(X@C₆₀)@SWNT），其中X=HF或H₂O。

文章要点

1）(X@C₆₀)@SWNT是一类分子纳米材料，由分子宿主中的客体和纳米宿主中的客体组成，使得研究孤立的单双原子或三原子分子与电子束的相互作用成为可能。

2）使用电子束同时作为分子中化学反应的刺激和亚分辨率成像探针，可以实时在原子尺度上研究分子动力学和反应性，这些可以通过色差和球差校正高分辨率透射电子显微镜（CC/Cs-corrected HRTEM）成像直接探测，或者在扫描透射电子显微镜（STEM）实验期间通过原位振动电子能量损失谱（EELS）间接探测。

3）实验测量表明，电子束分别引发H-F键和H-O键的均质解离，导致氢原子从富勒烯笼子中排出，留下氟或氧。由于F或O原子通过碳晶格的渗透机制的不同，在相同条件下，富勒烯笼内的原子氟似乎比原子氧更稳定。

将(X@C₆₀)@SWNT（其中每个分子X彼此“独立包装”）与电子显微镜表征和密度泛函理论（DFT）建模相结合，可实现在单分子水平上直接探测单个原子的键动力学和反应性。

Johannes Biskupek, et al, Bond Dissociation and Reactivity of HF and H₂O in a Nano Test Tube, ACS Nano, 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c02661

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c02661