富勒烯的球面结构是如何形成的呢 ~通过影像捕捉到了3维分子组合的情况~

富勒烯的球面结构是如何形成的呢

~通过影像捕捉到了3维分子组合的情况~

重点成功地在原子水平上逐一捕捉到了平面状碳氢化合物分子逐渐获得球面性最终成为球状足球分子( [60]富勒烯，C60 )的情况。富勒烯化学最大、最后的神秘之处是球状网眼结构是如何形成的。 研究表明，此次生成过程在原子水平逐一跟踪，在平面分子变成碗型分子的阶段、碗型分子变成球状分子的阶段分别一下子环化。证明了对于迄今为止只写在纸上想象的化学反应路径，就像观察分子模型一样，可以一边作为动画进行观察一边进行研究。 在得到对化学反应的深刻理解，加深对事物性质的理解的同时，提供直观理解迄今为止观念上难以理解的化学反应的手段方面，教育效果也很好。

1985年发现的由60个碳原子组成的球状分子[60]富勒烯( C60 )，由于其对称结构美丽，加之具有特异的电子物性、材料特性，作为纳米技术的象征材料，从基础到应用进行了各种各样的研究。 另一方面，完全不知道C60的特征球状结构是如何形成的。 这次，东京大学研究生院理学系研究科化学专业的中村荣一特别教授、原野幸治特任副教授、Dominik Lungerich博士研究员(现韩国IBS研究教授)等的研究小组，平面状的碳氢化合物( C60H30 )逐渐发生反应，经过曲面的中间体，最终变化为C60 虽然迄今为止的方法完全不知道C60形成的过程，但本研究发现，可以在原子水平逐一跟踪C60的生成过程，在平面分子变为碗型分子的阶段、碗型分子变为球状分子的阶段分别一下子进行环化。 本成果不仅对其形成过程为谜团所笼罩的许多纳米材料的形成机理提供了重要的启示，而且着眼于化学反应进行研究的新研究领域“影像分子科学”有望在自然科学领域的研究和教育中发挥巨大的作用。本研究成果将于近日在国际学术杂志《ACS Nano》上刊登。

本研究成果是在科研经费特别推进研究(课题编号: JP19H05459 )、科学技术振兴机构( JST ) CREST (课题编号: JPMJCR20B2 )等的支援下实施的。 本研究使用了国际科学创新据点整备形成事业导入的、由东京大学分子创新机构运营的共用设备- -原子分辨率透射电子显微镜(日本电子株式会社制JEM-ARM200F )。

<新闻发布资料>

https://www.jst.go.jp/pr/announce/20210525/pdf/20210525.pdf

富勒烯的球面结构是如何形成的？―通过影像捕捉到了三维分子组合的样子―※可通过右述QR码及URL浏览电子显微镜动画。 https://youtu.be/Db3PVcfDmmo1 .主讲人:Dominik Lungerich (现韩国基础科学研究院( IBS )研究教授/前东京大学研究生院理学系研究科化学专业博士研究员)原野幸治(东京大学研究生院理学系研究科化学专业特聘副教授)中村荣一(东京大学研究生院理学系研究科化学专业特别教授/东京大学名誉教授)2 .发表要点:◆平面状的碳氢化合物分子逐渐获得球面性，最终成为球状足球分子成功地在原子水平逐一捕捉到了变成( [60]富勒烯，C60 )的情况。◆富勒烯化学最大、最后的推理是球状网眼结构如何形成的是。 这次在原子水平逐一跟踪生成过程，平面分子变成碗型分子的阶段研究表明，在阶段、碗型分子变成球状分子的各个阶段都会一下子环化。◆对于迄今为止只写在纸上想象的化学反应路径，就如同看分子模型一样特别是被证明了可以作为动画一边观察一边研究。 关于化学反应的深层理由得到解，在加深对事物性质理解的同时，迄今为止观念上难以理解的化学在提供直观理解反应的手段方面，教育效果也很大。3 .发表概要:1985年发现的由60个碳原子组成的球状分子[60]富勒烯( C60，注1 )，由于其对称结构美丽，加之具有特异的电子物性、材料特性，因此是纳米技术作为-的象征性材料，进行了从基础到应用的各种各样的研究。 另一方面，C60的完全不知道特征球状结构是如何形成的。 这次，东京大学学院理学系研究科化学专业的中村荣一特别教授、原野幸治特任副教授、Dominik Lungerich博士研究员(现韩国IBS研究教授)等的研究小组发现，平面状的碳氢化合物( C60H30 )逐渐减少反应，经过曲面的中间体，最终变换为C60的情况用原子分辨率电子显微镜成功地捕捉到了镜子(注2 )的影像。 在迄今为止的方法中，C60形成的过程虽然完全不清楚，但是在本研究中，可以在原子水平上逐一跟踪C60的生成过程，在平面分子变为碗型分子的阶段、碗型分子变为球状分子的阶段分别一下子环化我明白了事情会进行。 本成果是其形成过程被谜团所笼罩的许多纳米材料的形状不仅对成机制提供重要启示，而且是着眼于化学反应进行研究的新研究领域期待“影像分子科学”在自然科学领域的研究和教育方面发挥巨大的作用生气。 本研究成果将于近日在国际学术杂志ACS Nano上刊登。

4.发布内容:C60作为“碳第三同素体”而闻名，仅次于石墨、金刚石，其60个碳原子是排列成足球状的球状分子(图1 )。 C60在其对称性高的三维结构中由于具有起因特异的电子物性和生理活性，还有多样的化学反应性，因此是纳米技术作为-的象征性材料，至今为止进行了各种各样的研究。 另一方面，这个球关于形状结构组成的过程，至今完全没有得到实验性的信息。本研究组自2005年以来，一直在研究“原子分辨率单分子实时电子显微镜( SMART-EM ) I致力于被称为成像法(注3 )”的分子电子显微镜技术的开发，小分子逐个并且，不仅对单分子，还对分子集合体的运动进行了视频拍摄和记录的研究。这次，以由60个碳原子和30个氢原子构成的芳香族烃( C60H30，图1 )为起始物质作为，用SMART-EM成像法记录了该分子向C60转换的过程。该烃呈平面状，但要切断适当的碳-氢键，连接手中多余的碳原子通过组合形成化学键，转变为曲面结构，最终合成C60，从而起床。在SMART-EM成像法中，至今为止都是将碳纳米管作为容器进行分子的反应进行了观察，这次，在具有1个原子厚度的碳膜石墨烯(注4 )上进行了观察成功地将作为检测对象的碳氢化合物分子直立固定。 由此，分子在表面上可以防止急剧移动或在真空中脱离，可以防止单一分子的动态这使得将化学反应清晰地捕捉为影像进行分析成为可能。在实际拍摄的长达2分多钟的电子显微镜影像中，最初为平面状的碳氢化合物分子，在某一瞬间，环化反应一下子进行，形成大弯曲的碗形结构，之后再次一下子我们无缝地捕捉到了反应最终形成球状C60的情况。 根据这个影像，理论化通过使用光学计算和显微镜图像的模拟分析，可以将观察到的中间体的结构鉴定成功(图2 )。 结果表明，该分子是有机化学中常见的反应理论根据伍德沃德·霍夫曼定律(注5 )，接近的碳原子之间结合形成了环之后，发生氢分子脱离的反应(脱氢环化)，重复这两种反应C60中所述情节，对概念设计中的量体外部表面积进行分析。 重要的是，至今为止高速的电子与有机分子碰撞认为这样会发生碳-氢键的切断，但此次观察到的脱氢环化反应发现比碳-氢键断裂更容易发生。 即，电子显微镜内发生的化学反应不是化学无法解释的高能路径，只要有条件就可以。显示了根据一般的有机化学反应理论遵循可预测的反应机理。通过电子显微镜实时观察化学反应，从纳米材料化学到生物学、医学在目前最先进的研究中越来越受到关注。 在本研究中，到现在为止都写在纸上对一切只是想象的化学反应路径，就像观察分子模型一样，当场进行观察证明了可以一边研究。 得到对化学反应的深刻理解，了解事物的性质的同时，也是直观理解迄今为止观念模糊的化学反应的手段在给予方面，教育效果也很大。本研究成果为科研费特别推进研究(课题编号: JP19H05459 )、科学技术振兴机构( JST )根据CREST (课题编号: JPMJCR20B2)等的支援进行的。 本研究是国际科学由创新据点整备形成事业导入，成为东京大学分子创新机构我们使用了更为运营的共用机器- -原子分辨率透射电子显微镜(日本电子株式会社制造的JEMARM200F )。

5 .发表杂志:杂志名称:《ACS Nano》论文标题: a singular molecule-to-molecule transformation on视频: the bottom-up来自芴C60的种子传送c 60 h 30同步作者: Dominik Lungerich*、Helen Hoelzel、Koji Harano、Norbert Jux、康士坦丁YU.Amsharov，Eiichi Nakamura*DOI编号: 10.1021/acsnano.1c02222摘要: https://pubs.ACS.org/doi/10.1021/ACS编号1 c 02222※本论文作为速报版( ASAP publication )在网上公开。6 .咨询处:(有关研究的事情)东京大学研究生院理学系研究科化学专业特别教授中村荣一美国航空公司(关于JST的事情)科技振兴机构战略研究推进部绿色创新集团岛林裕子日本航空公司(有关报道的事情)东京大学研究生院理学系研究科理学部主任吉冈奈奈子、教授宣传室长饭野雄一5841-8856电子邮件:日本航空公司科学技术振兴机构宣传科日本航空公司7 .用语解说:(注1 ) [60]富勒烯( C60 )这是1985年卡尔、克洛托、苏莫利等人发现的碳同素体之一，共有60个碳原子连接成足球状的分子。 1970年大泽映二博士(当时京都大学)说第一次被提倡。 世界上率先在日本开始工业生产，新一代材料的基础物质和进行了广泛的研究。(注2 )原子分辨率透射电子显微镜具有区别每个原子可观察性能的透射电子显微镜。 透射电子显微镜波长比光长在使用短电子束显微镜中，通过透过物质的电子束成像，从而得到物质可以从视觉上知道星星的形状。 随着近年来像差校正技术的进步，适合观察有机材料使用低加速电压的电子显微镜也能够以原子分辨率进行拍摄。(注3 )原子分辨率单分子实时电子显微镜( SMART-EM )成像法使用原子分辨率电子显微镜，以原子分辨率跟踪每个分子的结构和形状的时间变化分析方法。 是本研究小组独自开发的方法，碳纳米管( CNT )通过将作为载体，可以长时间稳定地观察有机分子。 到目前为止，CNT中包含的分子进行旋转、平移运动的样子，分子之间发生反应的样子，还有食盐的结晶通过生成瞬间的动画拍摄，以及与CNT表面结合的“化学鱼钩”，在有机晶体的核前成功地首次捕捉到了体和化学反应的微小中间体的结构( 2007、2008、2010、参见2011、2012、2017、2019、2020、2021年东京大学理学部新闻发布会)。(注4 )石墨烯是碳的同素体的一种，碳原子呈六角形的晶格结构结合而成，具有1原子的厚度片状物质。 石墨烯有多层重叠的是石墨(石墨)。 当初，单层石墨烯是通过从石墨上物理剥离得到的，但今天化学确立了利用气相生长法在基板表面制作的方法。(注5 )伍德沃德·霍夫曼定律由罗伯特·巴恩斯·伍德沃德和罗阿尔德·霍夫曼设计的有机化学为了预测作为发出的重要反应的π共轭分子环化反应的立体化学和活化能可以使用的一系列法则。 根据其简洁和普遍性，首次向化学家展示了分子轨道理论的威力，来了。 凭借此功绩，霍夫曼与福井谦一博士一起获得了1981年的诺贝尔化学奖。

8 .附件

图1 :通过向芳香族烃( C60H30 )照射电子射线而生成富勒烯C60的多阶段化学反应用影像捕捉到了反应

图2:140秒钟记录的烃分子C60H30转化为C60过程中的原子分辨率电子显微镜影像的快照。 箭头所示各时刻的电子显微镜图像( TEM )、模拟展示了光晕像( SIM )、分子模型。

图3 :理论计算求出的成环反应路径的能量。 紧接着红色所示的电子环状反应通过脱氢反应形成环的路径，是蓝色所示的碳-氢键切断后的碳- -由于能量势垒比碳键生成的路径低，因此认为反应在红色的路径上进行可以考虑。