手性被认为是自然界的基本属性，在物理化学和生命科学领域中占据着十分重要的地位。法国化学家巴斯顿曾说宇宙是非对称的，生命由非对称作用主宰，如“自然界中的氨基酸几乎都是左撇子，自然界中的糖类基本都是右撇子”。手性分子的对映异构体往往呈现出不同的物理和化学特性，如不同手性的药物分子往往导致不同的生理反应。但由于手性对映异构体能量简并，如何将具有特殊物理化学特性的单一手性对映异构体进行分离并凝聚放大成为目前化学合成和生物医药领域中的重要问题，如对非对称有机催化反应的研究就获得了2021年诺贝尔化学奖。然而，人们对单一手性的起源和机制问题仍然知之甚少。 　　

分子在表面的吸附体系是研究手性问题的绝佳平台，在过去十年中已经取得了较大的进展，诸如手性分子在非手性表面的吸附手性、非手性分子在手性表面的对映体分离和手性放大等。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面国家重点实验室SF09组的吴克辉研究员和陈岚研究员长期关注表面二维体系的生长和新奇物性表征与调控，对表面分子吸附体系也开展了持续性研究，如发现了CO二维分子膜在Cu(111)表面的反常热力学相变（Nature Communications 9, 198 (2018)）等。最近，他们与北京化工大学的李晖教授课题组合作，在表面手性研究方面取得了突破，通过非手性分子CO在非手性的Au(111)表面饱和吸附实现了具有手性的二维分子畴，并通过操控实现了手性分子畴的单一手性凝聚和连续放大。 　　

SF09组的刘慧如同学等人在陈岚研究员和吴克辉研究员的指导下，在低温下实现了CO分子在Au(111)表面的饱和吸附，形成7个分子构成的团簇有序相。他们利用扫描隧道显微镜（STM）发现，由于相对于衬底晶向的吸附取向选择，CO团簇有序相形成两种镜像对称的手性畴结构。进一步通过STM针尖施加高电压调控，可以使团簇有序相转变为由CO分子单体组成的亚稳态均匀相；降低电压，亚稳态均匀相再次凝聚为团簇有序相。利用多次高电压相变和低电压凝聚过程，他们发现某一手性的团簇有序相会持续放大，最终在整个表面上实现大面积的具有单一手性的团簇有序相。北京化工大学的李和平同学在李晖教授指导下，结合第一性原理计算给出了不同CO分子吸附相的稳定性和扩散势垒，在动力学和热力学方面证实了团簇有序相手性畴的畴界自由能诱导的非对称手性放大过程，并在手性理论上给出了吸附手性在随机涨落下微小对映体过量的自放大行为。 　　

该项工作首次在一个完全非手性体系中实现了手性的凝聚和连续放大，为进一步理解非对称催化和单一手性的起源提供了有效的研究平台。相关研究结果发表在Nature Communications 14, 2100 (2023)，并被选为Featured Article，作为Editor's Highlights重点介绍。中科院物理所刘慧如同学和北京化工大学李和平同学为该论文共同第一作者。陈岚研究员、李晖教授和吴克辉研究员为该论文共同通讯作者。该工作得到了科技部,国家自然科学基金委，中国科学院和北京市自然科学基金的资助和支持。

图一、CO分子在Au(111)表面饱和吸附形成的手性团簇有序相。

图二、STM针尖诱导团簇有序相的连续手性放大过程。

来源：物理研究所