清华大学魏飞教授，今日再发Nature！

小纳米

2021-04-23

第一作者：Boyuan Shen

通讯作者：魏飞、Xiao Chen

通讯单位：清华大学

研究要点：

1. 设计了一种单分子范德华作用指南针

2. 实现了沸石孔道内的单分子真实成像，对范德华相互作用进行了分子尺度的诠释。

五千年前，中国人发明指南针。

指南针中，被磁化的指针可以与地磁场对准，从而确定南、北方向，这可能是最早用来测量电磁场分布的原理。

单分子检测难题

基于类似的经典原理检测原子和分子之间的微观相互作用，仍然是一个挑战。

在不同规模的物理，化学和生物过程中，中性和可极化原子、分子或粒子之间的范德华相互作用无处不在。然而，这些力的直接测量通常涉及各种复杂的纳米技术，这些技术难以扩展到复杂的多原子系统研究中。纳米级通道中的主客体范德华相互作用将决定分子内限域的各种物理和化学行为，例如吸附，传输，催化和相变，通过当前方法，在单分子水平研究这些相互作用非常困难。

指南针启发新思路

受到传统指南针的原理启发，清华大学魏飞教授、Xiao Chen等人报道了一种单分子范德华作用指南针，可用于检测MFI型沸石骨架的直通道中主体与客体范德华的相互作用。研究人员以二甲苯分子为将旋转分子指针，引入MFI沸石的纳米级通道，将通道中原子的位置定义为方向标记，通过对指针分子的方向辨识，可以有效揭示周围原子形成的范德华作用力场。

图1. 单分子范德华指南针设计

对分子构型的直接观察，有助于在原子尺度更好地理解物质相互作用。为了识别指针分子的确切方向并检测范德华相互作用，必须对指针和通道结构进行真实空间成像。由于材料的不稳定性和对电子束的敏感性，想真正“看到”单个分子，尤其是有机小分子需要非常先进的成像技术。

近年来，一种称为集成差分相衬对比扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）的技术，被广泛用于真实空间中的单分子行为成像研究，其中轻元素和重元素可以在各种对射线敏感的材料中一起成像。

图2. 单个PX分子成像

研究人员建立了一个纳米级范德华指南针，其中一个对二甲苯（PX）分子（作为旋转指针）被限域在准二维（2D）ZSM-5（MFI-类型）沸石框架中。使用iDPC-STEM成像，研究人员可以有效解析ZSM-5框架的原子结构和PX分子的方向。根据这些方向，可以直接识别主客体之间的范德华相互作用，这些相互作用在空间和时间维度上都与通道的几何形状有关。

在ZSM-5沸石中， MFI型框架由交联的直通道和正弦通道系统组成，可以分别从[010]和[100]方向成像。为了构建分子级范德华指南针，研究人员使用单个PX分子作为旋转指针，并使用MFI型框架的直通道的Si₁₀/O₁₀环中的Si和O位置作为方向标记。

图3. 基于PX指针分子指认方向

对椭圆形的Si₁₀ / O₁₀环进行编号，可以指示20个离散的方向，相距约18°。这样的直通道（尺寸为5.6×5.3Å）只能包含一个C6环（动力学直径约为5.8Å）作为尺寸匹配的指针。根据前人研究可知，单环芳族化合物可以稳定地限域在直链和正弦通道的交点处，并且它们的长分子轴和直通道接近平行（沿ZSM-5晶体的b轴）。指针与周围的Si和O原子发生范德华相互作用，在能量上具有优先选择的方向，并且它会旋转（与传统指南针中的指针一样），随着通道几何形状的变化而变化，从而能够检测到不同的范德华通道内的力场。

小结

总之，这项研究为单分子尺度范德华相互作用的研究提供了新的见解。奇思妙想，也为科研人员开拓思路提供了一个良好的范例。

参考文献：

Boyuan Shen et al. A single-molecule van der Waals compass. Nature 2021, 592, 541–544.

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