五级谢尔宾斯基三角形的制备

刘忠范

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

C3PC和BPyB分子通过与铁配位在Au(100)重构表面共组装形成五级谢尔宾斯基三角形

分形结构是指不同尺度下具有自相似特性的一类几何结构，由Mandelbrot首先提出1。分形结构广泛存在于自然界内，例如冬季的雪花、大陆的海岸线等，无不包含着分形的特征。分形研究对于自然科学、工程学以及美学都具有重要意义。尤其在纳米尺度上，构建具有高度自相似的分形结构，对于纳米技术的发展具有一定价值。

近些年来，在科学家们的努力下，一系列具有分形特征的结构在微纳米尺度上被构建出来。特别是，2015年北京大学吴凯教授课题组和王永锋研究员课题组合作，率先在Ag(111)表面制备出完整的谢尔宾斯基三角形分子组装结构2。谢尔宾斯基三角形是一种典型的分形几何结构，理论预测这种特征的分子结构会具备特殊的电学、光学、磁学功能，是一种潜在的新型功能材料3。然而受到表面晶体生长动力学的限制，表面制备的谢尔宾斯基三角形一直都被限制在较低级数，最高级数不超过4级4。

最近北京大学信息科学技术学院王永锋研究员课题组利用模板法与共组装法的结合，成功制备出完整的五级谢尔宾斯基三角分形结构，其最长边长达到0.05 μm。使用超高真空低温扫描隧道显微镜，研究者对分形结构的生长机理进行了深入研究。C3PC分子单独与铁配位在Au(100)重构表面上形成规则二级分形双链结构5。受到衬底作用的影响，它所形成的链形结构可以沿表面重构方向一直延展至上百纳米。相比于 C3PC分子所形成的双链结构，BPyB分子与铁配位则在表面形成最大级数为三级的分形结构。两者最大的区别在于 C3PC分子能够作为稳定的双链连接分子，起到稳定分形双链结构的作用。一旦将两者以不同比例混合组装，发现新加入的少量 BPyB分子能够对双链 C3PC分形结构起到破坏作用，从而驱使两者共组装形成孤立分形结构。由于衬底的作用，新形成的分形结构的级数突破了常规 4级的限制，制备出完整的五级谢尔宾斯基三角形。该研究是与北京大学信息科学技术学院侯士敏教授课题组和北京大学化学与分子工程学院吴凯教授课题组合作完成。

该研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上以长文形式正式发表6。这一研究成果采用模板法与共组装的结合，突破了谢尔宾斯基三角形生长过程中的动力学限制，为制备更高级数分形结构提供了新的思路。

(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. [顾高臣, 李娜, 张雪, 侯士敏,王永锋, 吴凯. 物理化学学报, 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