编者按
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单分子成像具有挑战性，但对于研究分子水平的分子间相互作用非常有利。亚纳米级范德华相互作用在封闭条件下强烈影响各种分子行为。2021年4月21日，清华大学魏飞及Chen Xiao共同通讯在Nature 在线发表题为“A single-molecule van der Waals compass”的研究论文，该研究受传统指南针的启发，使用对二甲苯分子作为旋转指针，以检测MFI型沸石骨架的直通道中主体与客体范德华的相互作用。该研究使用集成的差分相衬对比扫描透射电子显微镜来实现每个通道中单个对二甲苯分子的真实空间成像。通过结合计算结果和成像研究，在单分子指针的取向与通道的原子结构之间建立了良好的相关性。对二甲苯的取向有助于识别范德华相互作用中的变化，该变化与空间和时间维度上的通道几何结构有关。这项工作不仅为研究宿主-客体范德华相互作用在分子水平上的多孔性提供了可见且灵敏的手段，而且还鼓励使用电子显微镜技术进一步研究其他单分子行为。
指南针在人类发展和探索过程中发挥了重要作用。在标准的指南针中，磁化的指针将自己大致定向为南北，以与地磁场对准，这可能是最早用来测量电磁场分布的原理。在最近的几十年中，在这样的经典原理的指导下检测原子和分子之间的小规模相互作用仍然是一个挑战。中性和可极化原子，分子或粒子之间的范德华相互作用在不同规模的各种物理，化学和生物过程中无处不在。然而，这些力的直接测量通常涉及各种复杂的纳米级技术，这些技术难以扩展到复杂的多原子系统的研究中。例如，纳米级通道中的主客体范德华相互作用将决定分子内所限制分子的各种物理和化学行为，例如吸附，传输，催化和相变，但这很困难使用当前方法研究单分子水平的这些相互作用。类似于传统指南针的原理，该研究将旋转分子指针引入纳米级通道，其中通道原子的位置定义方向标记。准确地识别这些指针分子的方向可以帮助揭示周围原子形成的范德华力场。对分子构象的直接观察有助于更好地理解原子级的相互作用。为了识别指示器分子的确切方向并因此检测范德华相互作用，指示器和通道结构的真实空间成像是必要的。由于其不稳定性和对电子束的敏感性，需要先进的成像技术才能真正“看到”单个分子，尤其是有机小分子。有一种成像模式，称为集成差分相衬对比扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM），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。近来出现的一种可能的工具，可以用来对真实空间中的单分子行为进行成像和研究。在这项工作中，该研究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）被限制在准二维（2D）ZSM-5（MFI-类型）沸石框架。使用iDPC-STEM成像，可以清楚地解析ZSM-5框架的原子结构和PX分子的方向。根据这些方向，可以直接识别宿主与客体的范德华相互作用，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。总之，这项工作不仅为研究宿主-客体范德华相互作用在分子水平上的多孔性提供了可见且灵敏的手段，而且还鼓励使用电子显微镜技术进一步研究其他单分子行为。https://www.nature.com/articles/s41586-021-03429-y
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