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    侯建國 教授 化學(xué)科學(xué)獎
    2008年

      侯建國? 物理化學(xué)家,1959年10月29日出生于福建省福清市。1989年獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位。1988年至1995年,先后在蘇聯(lián)科學(xué)院結晶學(xué)研究所、中國科學(xué)院福建物質(zhì)結構研究所、加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯 -伯克利國家實(shí)驗室材料科學(xué)部、美國俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)系工作,1995年起在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)任教。中國科學(xué)院院士,第三世界科學(xué)院院士,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授?,F任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(cháng)。

    侯建國主要從事表面物理化學(xué)領(lǐng)域研究工作,包括納米材料和納米結構的制備和表征、分子納米結構的自組裝、低維納米系統的量子態(tài)性質(zhì)及其調控和納米材料與納米結構的掃描探針顯微鏡研究等方向。已在國際學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表研究論文約 150篇,其中包括《Nature》2篇、《 Science》2篇、《 J.Am. Chem.Soc.》4篇、《 Phys.Rev.Lett》8篇。

    表面吸附單分子的高分辨表征與選控

      對處于襯底表面上的單個(gè)分子、原子團簇和量子點(diǎn)所具有的幾何結構和電子結構進(jìn)行直接觀(guān)察和表征,繼而選擇性地對其進(jìn)行精確的修飾和“改造”,以實(shí)現特定的功能,是單分子科學(xué)與納米科技的重要基礎研究,它對未來(lái)直接人工改造分子有重大的指導意義,并且在新材料和新器件方面有巨大的應用背景。

      掃描隧道顯微術(shù)( STM)和掃描隧道譜(STS),是單分子科學(xué)研究的最有力工具之一。雖然 STM圖象可達 0.1埃的分辨極限,但其只對應于單分子的局域電子態(tài)密度在空間上的分布,因而不能直接反映其原子結構。同時(shí), STM/STS的實(shí)驗結果還受到來(lái)自襯底和針尖等諸多因素的影響,因此如何利用它們確定單分子的構型、取向、內部原子結構和電子態(tài)等,是極為重要而且極具挑戰性的課題。

    吸附在硅表面的C60單分子高分辨STM圖像

    (a)分辨單個(gè)分子軌道的dI/dV能量層析技術(shù)DY@C82單分子在兩種偏壓下的STM圖像((B1)和(B2))和相應的能量層析圖像((B3)和(B4)),以及理論模擬的分子取向(C1)和對應圖像((C2)-(C4))

      1999年侯建國通過(guò)結合超高真空低溫 STM實(shí)驗與密度泛函理論模擬,建立了對單分子結構和性質(zhì)進(jìn)行高分辨表征的系統研究方法,確定了 C60單分子在硅表面的各種依賴(lài)于吸附位的吸附取向和相關(guān)的吸附電子態(tài),此成果被美國物理學(xué)會(huì )專(zhuān)題圖片新聞介紹,并被評為 1999年中國基礎科學(xué)研究十大新聞。 2001年他通過(guò)分子自組裝技術(shù)把 C60單分子生長(cháng)在化學(xué)惰性的硫醇自組裝膜表面,觀(guān)測到具有化學(xué)鍵分辨率的 C60單分子圖像,而且由此發(fā)現了平移對稱(chēng)性和分子取向性同時(shí)得到保持的無(wú)缺陷 C60分子取向疇界,這不同于教科書(shū)上傳統的疇界概念,成果發(fā)表在英國《自然》雜志上,被審稿人高度評價(jià)為“一項構思巧妙、實(shí)驗嚴謹的研究工作”,也被兩院院士評為 2001年中國十大科技進(jìn)展。 2003年他進(jìn)一步把這種研究方法擴展到對單分子電子態(tài)位置空間和能量空間的同時(shí)表征,由此成功地確定了Dy@C82單分子包含在碳籠中的金屬 Dy原子的相對位置和雜化電子態(tài)。此外,他過(guò)去幾年在對硫醇自組裝膜的分子基團的高分辨表征、 6-硝基螺吡喃分子二維組裝的手性表征等一系列單分子體系的研究,以及對金屬納米顆粒、小分子的離散電子態(tài)表征研究方面也獲得了許多重要結果。

    在此基礎上,通過(guò)“單分子手術(shù)”,侯建國于 2005年在國際上首次實(shí)現了單分子自旋態(tài)的控制。在這一發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究工作中,他利用 STM系統地研究了單個(gè)鈷酞菁分子吸附于金表面的各種物理、化學(xué)性質(zhì),在此基礎上巧妙地對其進(jìn)行“單分子手術(shù)”,成功“剪裁”了分子外圍的氫原子。他們發(fā)現,當鈷酞菁分子吸附到金表面后,其中心的二價(jià)鈷離子的局域磁矩完全消失。但通過(guò)在分子內部實(shí)現的精確“手術(shù)”后,卻能夠使整個(gè)分子的空間結構和電子結構產(chǎn)生變化,由此可以改變和調控其中心鈷離子的自旋態(tài),使其顯示出由局域磁性所引起的近藤效應?!犊茖W(xué)》雜志在同期“透視”欄目中專(zhuān)文介紹和評價(jià)這一研究成果:“這一結果開(kāi)辟了可能對未來(lái)的分子器件應用產(chǎn)生影響的分子內自旋行為的基礎研究之路”,“在這之前雖然人們已經(jīng)能夠對單個(gè)分子的機械和電子性質(zhì)可以調控,但這里作者們展示了如何改變單個(gè)分子的自旋屬性,將(對單分子的)調控能力提高到一個(gè)新的臺階”。該成果被評為 2005年中國基礎科學(xué)研究十大新聞和中國十大科技進(jìn)展。


    通過(guò) STM針尖對 Au表面的 CoPC分子進(jìn)行
    “分子手術(shù)”以調控其吸附態(tài)和磁性
    圖為“分子手術(shù)”各個(gè)階段的 STM圖像

    侯建國在單分子科學(xué)研究方向上取得的這一系列成果發(fā)表在《科學(xué)》、《自然》、《美國化學(xué)會(huì )志》和《物理評論快報》等國際高水平科技雜志上,引起了國際上同行的廣泛關(guān)注,已被他引 1600余次。侯建國多次被邀請在包括美國物理學(xué)會(huì )年會(huì )、材料學(xué)會(huì )年會(huì )、國際純化學(xué)和應用化學(xué)聯(lián)盟年會(huì )和國際真空科技與應用聯(lián)盟年會(huì )等國際性學(xué)術(shù)會(huì )議上做報告。