气体分子诱导的谢尔宾斯基三角分形到链状结构的转变 | NSR

利用一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）气体分子实现了谢尔宾斯基三角分形结构向一维配位链的转变。结合DFT理论计算表明，在结构转变的过程中，CO分子和CO₂分子分别起到了共组装和催组装的作用，350 K退火后，进而实现了一维链向分形结构的可逆转化。《国家科学评论》近期发文报道了该成果。

在表面，多数分子可以形成有序的晶体结构或着无序的玻璃态结构。利用特定的组装方法和分子，也可以得到有序但非周期性的结构，如分形和准晶。目前谢尔宾斯基三角分形（Sierpiński，STs）结构已经通过卤键、金属-有机配位键、氢键和共价键相互作用，在表面和溶液中被广泛制备。虽然关于不同级数STs的制备已相对成熟，STs结构到晶体结构的转化仍具有一定挑战，这对理解STs的生长机制及未来特殊结构在表面的可控制备都十分必要。要实现STs分形和晶体结构间的可逆转化，组装单元之间必须具备稳定性和可逆性的条件。金属有机配位物结构中的有机分子和金属原子靠配位键连接，其配位键具有较稳定的特性，是研究STs向晶体结构转化的可能体系。

近日，北京大学电子学院王永锋研究员团队在金属基底表面通过蒸镀一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）气体分子，实现了谢尔宾斯基三角分形结构向一维配位链的转变。对于由C3PC分子与Fe组成的三配位STs结构，气体小分子的存在会破坏三配位的STs结构，进而诱导STs结构转化为室温下可稳定存在的1D长链，350 K高温退火后，气体小分子从表面脱附，1D长链可逆恢复为STs结构。结合理论计算证明了CO轴向吸附在Fe(C3PC)4长链结构中的Fe原子上，三角分形结构中的Fe(C3PC)3配位单元转变为FeCO(C3PC)4，CO气体分子在转化过程中起到了共组装的作用。而对于CO₂吸附在长链周围，虽同样起到破坏STs结构的作用，但并未参与Fe(C3PC)4的结构组成，以催组装的方式诱导结构转变。

CO和CO₂气体分子诱导的谢尔宾斯基三角分形到链状结构的转变

CO分子和CO₂分子分别以共组装和催组装的作用方式诱导谢尔宾斯基三角分形到链状结构的转变。

这一研究利用不同活性的气体小分子，在金属表面实现了STs与1D链之间的可逆转化，并明确了结构转变过程中气体分子的共组装和催组装作用。厦门大学田中群院士于2014年提出了催组装的概念，北京大学吴凯教授、同济大学许维教授等在表面催组装领域做了前期探索。本研究则通过变温可视化实验，首次观察到了催组装的中间过程，阐明了催组装机理，这也为未来探索更多特殊结构的生长提供了新的途径。

上述研究成果以“Structure transformation from Sierpiński triangles to chains assisted by gas molecules”为题发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。北京大学电子学院李超博士和徐榛博士为共同第一作者，北京大学电子学院王永锋研究员、侯士敏教授、张亚杰博士和德国基尔大学Richard Berndt教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。