清华大学魏飞教授团队最新Nature！

背景介绍

利用分子指针来探测主客体相互作用是一种研究复杂环境中相互作用的重要方法。例如在分子筛骨架中，主客体相互作用对于分子吸附、传递、反应和相变有着重要意义，深刻影响着其在气体分离、异相催化和储能等领域的应用。虽然单分子的构象可以帮助我们从分子水平理解主客体间的相互作用，但是想要超高分辨率下准确表征单分子构象并不容易。近几年来，球差校正电镜和多种低电子剂量成像模式的快速发展为我们提供了在实空间观察单分子的可能。

图文解析

图1识别不同孔道内PX分子的不同取向

FLOTU魏飞教授团队利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）实现了对单个对二甲苯（PX）分子在二维ZSM-5分子筛内的直接成像。这里，PX分子可以作为指针分子来探测每一个孔道内的范德华相互作用。PX分子中的两个甲基使得苯环在孔道中立起来，苯环平面就形成了一个可以旋转且有明确取向的单分子指针。类比罗盘的指针，PX单分子指针的取向能够给出反映出孔道内部的范德华相互作用。基于对分子取向的成像和对二维ZSM-5的原子级解析，可以揭示小分子是如何被限域在亚纳米尺寸的孔道中。在不同孔道中，成像得到的PX分子的取向是明显不同的，并且通过计算和模拟可以发现PX分子取向与孔道的几何形状直接相关 （如图1所示）。因此分子取向的成像是能够反映孔道几何形状到的变化和孔道内范德华相互作用的变化。同时，在连续的图像拍摄中，分子取向随时间的变化也可以被实时观察到，其变化规律仍然与孔道几何形状密切相关（如图2所示）。

这项工作不仅提供了一种直观、灵敏的手段在分子水平上研究多孔材料中的主客体范德华相互作用，并且推动了电子显微镜学在单分子成像上的进一步应用。图像不仅能够给出主客体范德华相互作用的在不同孔道中的分布，同时可以给出单孔道内相互作用的实时变化。单个小分子成像一直是纳米技术和分子科学的一个里程碑，特别地，将有机小分子的成像分辨率推进到埃级精度是对电镜技术的巨大挑战。iDPC-STEM技术可以帮助实现对其他小分子和多孔材料体系的直接成像和结构分析，并研究它们之间的复杂主客体相互作用，例如酸碱和配位相互作用。可以期待，这种成像技术的进步将促进对客体分子物理和化学性质的进一步研究，并为多种单分子行为带来全新的理解。

图2实时探测PX方向随孔道几何形状的变化

相关工作以“A single-molecule van der Waals compass”为题发表在4月21日的《Nature》期刊上。文章第一作者为清华大学申博渊博士，文章通讯作者为清华大学陈晓博士和魏飞教授。参与此项研究还有王挥遒、熊昊、E. G. T. Bosch、I.Lazić、蔡达理博士、骞伟中教授、金士锋研究员、刘新教授和韩宇教授。此外，魏飞教授团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根超长碳纳米管的耐疲劳性，相关成果以《超耐久性的超长碳纳米管》Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes为题，于2020年8月28日在线发表在Science上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03429-y

来源： 清华大学化工系反应工程实验室官网、中国颗粒学会