分子結構變化的動態過程成功拍攝

周晏銘

東大、日本科學技術振興機構（以下稱JST）及日本產業技術綜合研究所（以下稱產綜研）的研究小組成功拍攝到了有機分子結構隨時間變化的動態過程。該小組首先合成出了類似細胞膜主要成分——脂質分子化合物。接著，使該化合物在真空中揮發，封入碳奈米管（CNT）中，利用高解析度電子顯微鏡進行觀察。並以秒為單位，對飽和烴鏈的運動及其在CNT中的往返運動狀態進行了確認。

　　除上述實驗外，該小組還宣佈，如果將該分子封閉在直徑1.2nm的CNT中，還能夠以秒為單位直接拍攝分子動態影像。能夠觀察到具有2條烴鏈的分子，其2條烴鏈在CNT中的旋轉動態狀況。所拍影像證實，烴鏈並不是連續性的，而是由一種形態跳躍性地向另一形態轉換。該小組表示，在分子級別觀察到這一現象在業界還是“首次”。

　　該研究的目標是“像看分子模型那樣，觀察有機分子的形態變化”。但是分子在真空中會快速移動，而且照射電子束還會容易破壞分子。該研究小組此次通過將有機分子封閉在CNT中以降低分子的運動速度，並且減少由電子束產生的熱量，消除分子之間發生反應的機會，從而實現了對單一分子的直接觀察。此次的觀察實驗採用了解析度為2.1埃（0.21nm）、加速電壓為120kV的透射電子顯微鏡（TEM）。

　　在該研究中，可輕鬆識別對象分子的結構至關重要。因此，該研究小組通過將觀察對象——硼簇(Boron Cluster)與柔軟的鏈狀烴分子相結合，合成出了具有類似脂質分子的特徵性結構的分子，並對其進行了觀察。 　　將合成的分子封閉在直徑0.9nm的碳奈米管中，在顯微鏡觀察下採用電子能量損失譜來確認硼原子。另外還證實，通過識別合成的分子結構，還可在電子顯微鏡下觀察單一分子。由於顯微鏡的解析度達不到1.5埃（0.15nm）這一碳-碳結合長度，因此無法確認單個碳原子，不過卻能清晰地辨認出由碳鏈和硼組成的球狀部分。 　　

這種封閉到直徑1.2nm的CNT中的實驗，能夠觀察到分子以10nm/秒的速度前後運動的狀態。同時還發現，分子的速度是在頻繁變化的；當分子附著在CNT上時運動出現了停止。

　　從此次的觀察實驗可以推測，觀察對象物——脂質分子在細胞膜內運動時，也會呈階段性變化。目前烴分子被廣泛應用於潤滑油，雖然潤滑現象是無數分子共同作用的結果，但從實驗中可以看出，各分子並不是同時在平穩地運動.

2007/2/28