独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任Sumio Iijima]碳测量评估小组[研究小组组长Kazutomo Suenaga]Masashi Koshino，研究员，Toshiya Okazaki，首席研究员，以及Hiromichi Kataura，纳米技术研究部自组装电子组。与东京大学科学研究生院化学系 Eiichi Nakamura 教授合作富勒烯分子二聚化我们成功地在原子水平上分析了反应的反应性和选择性。
这次是单层碳纳米管我们将富勒烯分子限制在内部，并通过改变密度、温度、金属原子的影响、提供的能量等来优化反应性像差校正机制的电子显微镜的高分辨率观察技术，我们成功地将反应可视化。很明显，每个分子的方向直接影响反应。未来，预计这种纳米分析技术将被广泛应用于阐明各种反应机制以及设计用于新药开发的分子。
该研究成果是基于JST战略性创意研究推进项目ERATO型研究“中村活性炭簇项目”（研究总监：中村荣一教授）和该项目的团队型研究（CREST）“有助于阐明和应用材料现象的新测量和分析基础技术”研究领域（研究总监：田中道吉，东北大学）这是通过研究项目“开发低加速度、能够在分子和原子水平上观察软物质的高灵敏度电子显微镜”（首席研究员：Kazutomo Suenaga，研究组组长）由名誉教授主持。研究结果详情将于2010年1月11日凌晨3:00（日本时间）发表在《英国科学杂志》上自然化学网络突发新闻版
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C60富勒烯模型图
当两个分子粘在一起时，它们在五边形或六边形的哪个顶点或边粘在一起？
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化学反应的范围从呼吸和消化等生命活动所必需的熟悉的事物到化学合成和能量转换等支持现代工业的反应。尽管可以在某种程度上从理论中预测分子的哪些部分最有可能发生反应，但有一些实际的化学反应极难预测。一个例子是富勒烯分子的聚变反应，其中几种不同的化学反应同时发生并获得多种产物。即使尝试通过实验研究这一问题，传统的化学分析方法也会分析大量分子的平均行为，因此对于涉及多种产物的反应不是很有效。相比之下，人们相信新的纳米技术分析技术可以用来一一分析单个分子的行为并揭示它们的反应。特别是，如果能够获得化学反应过程中的原子信息，则有望揭示以前未知的各种事物，并热切期待新分析技术的发展。
有机分子由碳等轻元素组成。到目前为止，在原子水平上观察这种轻分子的运动是极其困难的。然而，近年来，通过将有机小分子限制在具有纳米级内部空间的碳纳米管中来观察它们的运动已经成为可能，并且已经表明该技术可以应用于分子水平的行为分析。下一个目标之一是在原子水平上可视化每个化学反应分子。预计这将提供使用其他分析方法无法获得的知识，并且也将有助于理解原子水平的反应和阐明反应机制。
富勒烯分子被限制在碳纳米管中加速电压低，像差校正机构等电子显微镜技术，快速傅里叶变换的图像处理技术，我们成功地在原子水平上观察了反应过程。此外，电子显微镜技术的发展使得在极低温度（-269摄氏度）和低加速电压（80 kV）等各种环境下进行高分辨率观察成为可能，并发现可以控制分子和化学反应的行为。
已知当用电子束照射两个富勒烯分子时会发生二聚反应。在这项研究中，富勒烯分子（直径07-08 nm）被限制在碳纳米管（内径约12-15 nm）中，并使用配备像差校正机构的电子显微镜在原子水平上观察富勒烯分子的二聚反应。
C被困在碳纳米管内部，如图1所示60富勒烯分子的电子显微镜图像看起来像水印画，因为它是透射图像。随着分辨率的提高，变得更加清晰，碳纳米管本身的条纹图案就变成了C60它似乎与富勒烯分子本身的模式重叠，阻碍了结构分析。通过对该图像应用数学处理（快速傅里叶变换等），只能去除管子的条纹图案，并且 C60只有富勒烯分子的模式出现，使得在原子水平上观察它们成为可能。另外，C60富勒烯分子上方和下方的两条线是碳纳米管的壁。
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图1 C 被碳纳米管捕获60富勒烯分子的电子显微镜图像（上）和去除纳米管条纹的图像（下）
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C通过电子束照射发生二聚反应而融合60图 2 显示了富勒烯分子变化的电子显微镜图像。当同一分子从左向右受到电子束照射时，二聚反应就会进行。在图像 b 中，强调了 a 中每个图像的对比度（亮度和暗度），分子内部的图案出现了。下排中的每个图像 c 是显示反应过程中分子如何面对彼此的模型图。
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图2(a) C通过电子束照射进行二聚化和融合60电子显微镜图像捕捉富勒烯分子的变化。电子束照射量从左向右增加，化学反应进行。
(b) 强调分子对比度（明暗）的图像。
(c) 分子的模型结构。
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当分子在受到电子束照射后首先粘在一起时，键是在哪个平面上形成的？C60到目前为止，还没有分析方法可以获取反应过程中的信息，例如富勒烯分子的五边形还是六边形部分，或者顶点的碳原子。实际显微图像（图 2a 中最左边的图像）与电子显微图像的计算机模拟的比较表明，在二聚反应的早期阶段预计有几种键合模式。在众多可能的结构中，[2+2]环化缩合的模型结构可以很好地解释实验图像。其具有左侧分子的五边形和六边形之间的边缘以及右侧分子的六边形之间的边缘形成环状键的结构。
如果通过逐渐照射电子束反应进一步进行，C60观察到具有融合富勒烯分子的花生结构（图2a，左数第二个）。针对该结构预测了五种不同的模型结构，但他们能够根据分子内出现的对比度（浅色和深色图案）将其缩小到一种模型结构（图 2c，左起第二个）。
随着进一步的电子照射，花生状分子变成了管状（图2a，右数第二个）。众所周知，管材因其缠绕方式（网格图案）而表现出金属或半导体特性。观察到的管的对比显示，它是一个具有金属特性的锯齿形管。最终，它变成了比最初形成的花生形状稍大的花生形状（图2a，最右侧），但图像的对比度与模型结构预期的模拟图像的对比度非常匹配。
像这样，C60两个富勒烯分子的电子显微镜图像随着二聚反应的进行而变化，揭示了分子在初始接触后如何相互作用以及键重排如何发生。
除此之外，通过详细研究各种外部因素对化学反应的影响，例如限制在碳纳米管内的分子的数量（浓度）和温度、金属原子的存在或不存在以及反应中使用的能量的量，我们证明了在各种实验条件下在原子水平上可视化化学反应是可能的。
通过在原子水平上观察化学反应并调整温度、浓度、分子取向、金属原子的存在和提供的能量等实验环境，可以控制和分析每个分子的反应。未来，通过将该技术应用于有机分子和生物分子，预计将带来广泛领域的发展，包括阐明掌握生命关键的单个分子的反应机制、分子间相互作用的动态分析以及基于结构化学的分子设计以用于新药开发。
M。 Koshino、Y Niimi、E Nakamura、H Kataura、T Okazaki、K Suenaga、S Iijima：“原子水平上富勒烯二聚反应的反应性和选择性分析” （富勒烯分子二聚反应的反应性和选择性的原子水平分析），自然化学，高级在线出版(2010). http://dxdoiorg/101038/nchem482