五級謝爾賓斯基三角形的制備

劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)、工程學(xué)以及美學(xué)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(xué)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(xué)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(yù)測這種特征的分子結(jié)構(gòu)會具備特殊的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)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(xué)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(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)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(dá)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(jī)理進(jìn)行了深入研究。C3PC分子單獨(dú)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(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院侯士敏教授課題組和北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)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(xué)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(xué)學(xué)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