五級謝爾賓斯基三角形的制備

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

C3PC和BPyB分子通過與鐵配位在Au(100)重構(gòu)表面共組裝形成五級謝爾賓斯基三角形

分形結(jié)構(gòu)是指不同尺度下具有自相似特性的一類幾何結(jié)構(gòu)，由Mandelbrot首先提出1。分形結(jié)構(gòu)廣泛存在于自然界內(nèi)，例如冬季的雪花、大陸的海岸線等，無不包含著分形的特征。分形研究對于自然科學、工程學以及美學都具有重要意義。尤其在納米尺度上，構(gòu)建具有高度自相似的分形結(jié)構(gòu)，對于納米技術(shù)的發(fā)展具有一定價值。

近些年來，在科學家們的努力下，一系列具有分形特征的結(jié)構(gòu)在微納米尺度上被構(gòu)建出來。特別是，2015年北京大學吳凱教授課題組和王永鋒研究員課題組合作，率先在Ag(111)表面制備出完整的謝爾賓斯基三角形分子組裝結(jié)構(gòu)2。謝爾賓斯基三角形是一種典型的分形幾何結(jié)構(gòu)，理論預測這種特征的分子結(jié)構(gòu)會具備特殊的電學、光學、磁學功能，是一種潛在的新型功能材料3。然而受到表面晶體生長動力學的限制，表面制備的謝爾賓斯基三角形一直都被限制在較低級數(shù)，最高級數(shù)不超過4級4。

最近北京大學信息科學技術(shù)學院王永鋒研究員課題組利用模板法與共組裝法的結(jié)合，成功制備出完整的五級謝爾賓斯基三角分形結(jié)構(gòu)，其最長邊長達到0.05 μm。使用超高真空低溫掃描隧道顯微鏡，研究者對分形結(jié)構(gòu)的生長機理進行了深入研究。C3PC分子單獨與鐵配位在Au(100)重構(gòu)表面上形成規(guī)則二級分形雙鏈結(jié)構(gòu)5。受到襯底作用的影響，它所形成的鏈形結(jié)構(gòu)可以沿表面重構(gòu)方向一直延展至上百納米。相比于 C3PC分子所形成的雙鏈結(jié)構(gòu)，BPyB分子與鐵配位則在表面形成最大級數(shù)為三級的分形結(jié)構(gòu)。兩者最大的區(qū)別在于 C3PC分子能夠作為穩(wěn)定的雙鏈連接分子，起到穩(wěn)定分形雙鏈結(jié)構(gòu)的作用。一旦將兩者以不同比例混合組裝，發(fā)現(xiàn)新加入的少量 BPyB分子能夠?qū)﹄p鏈 C3PC分形結(jié)構(gòu)起到破壞作用，從而驅(qū)使兩者共組裝形成孤立分形結(jié)構(gòu)。由于襯底的作用，新形成的分形結(jié)構(gòu)的級數(shù)突破了常規(guī) 4級的限制，制備出完整的五級謝爾賓斯基三角形。該研究是與北京大學信息科學技術(shù)學院侯士敏教授課題組和北京大學化學與分子工程學院吳凱教授課題組合作完成。

該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上以長文形式正式發(fā)表6。這一研究成果采用模板法與共組裝的結(jié)合，突破了謝爾賓斯基三角形生長過程中的動力學限制，為制備更高級數(shù)分形結(jié)構(gòu)提供了新的思路。

(1)Mandelbrot, B. B. The Fractal Grometry of Nature; Freeman: San Francisco, CA, USA, 1982.

(2)Shang, J.; Wang, Y.; Chen, M.; Dai, J.; Zhou, X.; Kuttner, J.; Hilt, G.;Shao, X.; Gottfried, J. M.; Wu, K. Nat. Chem. 2015, 7, 389.doi: 10.1038/nchem.2211

(3)Wang, A.; Zhao, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 21837.doi: 10.1039/C5CP03060A

(4)Gu, G. C.; Li, N.; Zhang, X.; Hou, S. M.; Wang, Y. F.; Wu, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 195. [顧高臣, 李娜, 張雪, 侯士敏,王永鋒, 吳凱. 物理化學學報, 2016, 32, 195.]doi: 10.3866/PKU.WHXB201511261

(5)Li, N.; Gu, G.; Zhang, X.; Song, D.; Zhang, Y.; Teo, B. K.; Peng, L.M.; Hou, S.; Wang, Y. Chem. Commun. 2017, 53, 3469.doi: 10.1039/C7CC00566K

(6)Li, C.; Zhang, X.; Li, N.; Wang, Y.; Yang, J.; Gu, G.; Zhang,Y.; Hou, S.; Peng, L.; Wu, K.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017,139, 13749. doi: 10.1021/jacs.7b05720