第一作者：Jascha A. Lau
通訊作者：Alec M. Wodtke
通訊作者單位：哥廷根大學
前期重要工作
依照傳統的經驗，CO吸附一般通過C端吸附在界面上，作者首次在NaCl界面上發現了兩種CO吸附結構，分別為通過C端、O端進行吸附。
Observation of an isomerizing double-well quantum system in the condensed phase, Science 2020, 367 (6474), 175-178
作者通過對Au(111)晶面上CO吸附過程進行研究，發現了CO氣體分子的不正常吸附過程，即更容易發生化學吸附，隨后轉變為物理吸附狀態。
Following the microscopic pathway to adsorption through chemisorption and physisorption wells, Science 2020, 369 (6510), 1461-1465
研究背景
可見光區間的光能吸收、F?rster 共振能量轉移（FRET）過程在反應中心激發電子的過程是生物吸光系統中的關鍵，其廣泛應用于多種人工系統中，比如合成染料、聚合物、量子點等。FRET的基本作用過程和振動-振動能量轉移過程非常類似，說明在FRET過程中在理論上很可能伴隨著振動-振動（vibration-to-vibration）能量轉移。目前人們認識到振動激發能夠促進反應，但是對振動能量的傳輸和收集過程相關研究仍未見報道。
主要內容
有鑒于此，哥廷根大學Alec M. Wodtke等設計了NaCl(100)界面上通過CO吸附層的振動能收集引發界面CO分子的取向異構研究，通過12C16O厚覆蓋層吸收中紅外光子能量，隨后通過V-V能量轉移將振動能轉移到13C18O-NaCl界面上，通過這種方式，能夠更加有效的進行界面CO分子的取向異構反應，導致界面振動能量密度達到直接激發界面CO分子能量的30倍。通過以上發現，作者認為通過設計，這種作用可能用于驅動其他類型的化學轉化反應，為凝聚態化學的發展提供新領域。
圖1. 同位素標記CO分子的紅外吸收（m：單層分子，o：覆蓋層，m26o38：單層12C16O/覆蓋層13C18O，m38o26：單層13C18O/覆蓋層12C16O）
實驗主要內容
在NaCl表面上分別修飾單層13C18O、100層厚12C16O，通過吸收中紅外區間的光子激發高頻覆蓋層（100層厚12C16O），實現不可逆的將振動能量轉移到單層13C18O中，通過這種方法所得到的振動能量密度比直接激發單層13C18O得到的振動能量密度更高。
這種通過覆蓋層吸收振動能將其傳輸到界面上的13C18O單層分子，該過程中能量傳輸效率達到12 %。
表征和數據
圖2. 光激發導致界面層CO分子異構（a）對界面單層CO激發導致的能量傳輸到覆蓋層;（b）激發覆蓋層CO，在覆蓋層中發現振動能量;（c）對界面單層CO激發并引起結構異構化；（d-e）對覆蓋層CO分子激發，觀測到覆蓋層中的能量、界面單層分子結構異構化。
在分別對單層13C18O分子、對12C16O覆蓋層激發過程中，都能導致大量分子的異構（C原子朝下的分子異構為O原子朝下的分子），對單層分子直接激發，吸收容易發生漂白，同時發生紅移，異構化的分子占比增加；對12C16O覆蓋層激發，吸收沒有發生漂白和紅移現象，這是因為覆蓋層中的分子沒有參與反應。從而能夠保證長時間光激發作用中無紅外吸收的損失。作者認為這種振動能量傳輸能夠用于引發其他類型的反應。
參考文獻及原文鏈接
Jascha A. Lau, Li Chen, Arnab Choudhury, Dirk Schwarzer, Varun B. Verma & Alec M. Wodtke*, Transporting and concentrating vibrational energy to promote isomerization, Nature 2021
DOI: 10.1038/s41586-020-03081-y
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03081-y
Jascha A. Lau, Arnab Choudhury, Li Chen, Dirk Schwarzer, Varun B. Verma, Alec M. Wodtke*, Observation of an isomerizing double-well quantum system in the condensed phase. Science, 2020, 367 (6474), 175-178
https://science.sciencemag.org/content/367/6474/175
Dmitriy Borodin, Igor Rahinov, Pranav R. Shirhatti, Meng Huang, Alexander Kandratsenka, Daniel J. Auerbach, Tianli Zhong, Hua Guo, Dirk Schwarzer, Theofanis N. Kitsopoulos, Alec M. Wodtke*, Following the microscopic pathway to adsorption through chemisorption and physisorption wells, Science 2020, 369 (6510), 1461-1465
DOI: 10.1126/science.abc9581
https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1461
