清华魏飞教授团队Nature: 利用单分子成像技术探测分子筛孔道内范德华相互作用

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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1 识别不同孔道内PX分子的不同取向

清华大学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”为题发表在北京时间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，于北京时间2020年8月28日在线发表在Science上。

来源：FLOTU网站

PROFILE

魏飞

教授

清华大学

长期从事流态化、多相反应工程及碳纳米管结构控制与批量生产技术。致力于多相反应器的新概念及新理论研究、研发用于煤及石油化工、纳米材料、清洁能源化学品、环境等领域的新型过程及设备。教育部“长江学者”特聘教授（1999年），国家 杰出青年基金（1997）获得者。绿色反应工程与工艺 北京市重点实验室主任。主持设计30余台多相反应 器投入商业运行，如2000吨/年纳米聚团流化床法碳纳米管、60万吨/年流化床甲醇制丙烯（在建）、3万吨/ 年流化床法甲醇制芳烃及10万吨/年流化床法苯胺，15 万吨/年下行床催化裂化等，研究成果获国家科技进步 二等奖（2002 年，2008 年）、中石化科技进步一等奖 （2001、2007 年）、教育部自然科学一等奖（2005， 2015）、发明一等奖（2012）。在Science、Nature等杂志发表论文600 余篇， 专著4部，SCI引用50000余次，H因子 97。是2016-2021克莱蒽材料领域高被引学者。中国颗粒学会能源颗粒材料专业委员会主任，中国化工学会、 石油学会理事等职。

>>研究领域：

流态化；碳纳米管；多相催化与煤化工；下行床石油裂解

>>学术荣誉与奖励：

(1)   丙烯腈成套工业技术开发，国家科技部，国家科学技术进步奖，二等奖，2002

(2)   100kt/a苯胺成套基础研究开发和应用，国家科技部，国家科学技术进步奖，二等奖，2008

(3)   结构完美超长、定向碳纳米管的可控生长与宏量制备研究，国家教育部，自然科学奖，一等奖，2015

(4)   基于纳米聚团流化原理的高纯度碳纳米管批量制备基础研究，国家教育部，技术发明，一等奖，2006

(5)   多段构件流化床反应器技术及产业化，国家教育部，科技进步，省部一等奖，2013

(6)   丙烯腈主要装置成套国产化技术工业应用，中国石油化工集团，科技进步，省部一等奖，2001

(7)   新型流化床强化复杂催化反应的工艺基础研究，中国石油和化学联合会，科技进步，省部一等奖，2015.

>>实验室主页：

www.flotu.org/~weifei

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

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