第一作者：Boyuan Shen
通訊作者：魏飛、Xiao Chen
通訊單位：清華大學
研究要點：
1. 設計了一種單分子范德華作用指南針
2. 實現了沸石孔道內的單分子真實成像，對范德華相互作用進行了分子尺度的詮釋。
五千年前，中國人發明指南針。
指南針中，被磁化的指針可以與地磁場對準，從而確定南、北方向，這可能是最早用來測量電磁場分布的原理。
單分子檢測難題
基于類似的經典原理檢測原子和分子之間的微觀相互作用，仍然是一個挑戰。
在不同規模的物理，化學和生物過程中，中性和可極化原子、分子或粒子之間的范德華相互作用無處不在。然而，這些力的直接測量通常涉及各種復雜的納米技術，這些技術難以擴展到復雜的多原子系統研究中。納米級通道中的主客體范德華相互作用將決定分子內限域的各種物理和化學行為，例如吸附，傳輸，催化和相變，通過當前方法，在單分子水平研究這些相互作用非常困難。
指南針啟發新思路
受到傳統指南針的原理啟發，清華大學魏飛教授、Xiao Chen等人報道了一種單分子范德華作用指南針，可用于檢測MFI型沸石骨架的直通道中主體與客體范德華的相互作用。研究人員以二甲苯分子為將旋轉分子指針，引入MFI沸石的納米級通道，將通道中原子的位置定義為方向標記，通過對指針分子的方向辨識，可以有效揭示周圍原子形成的范德華作用力場。
圖1. 單分子范德華指南針設計
對分子構型的直接觀察，有助于在原子尺度更好地理解物質相互作用。為了識別指針分子的確切方向并檢測范德華相互作用，必須對指針和通道結構進行真實空間成像。由于材料的不穩定性和對電子束的敏感性，想真正“看到”單個分子，尤其是有機小分子需要非常先進的成像技術。
近年來，一種稱為集成差分相襯對比掃描透射電子顯微鏡（iDPC-STEM）的技術，被廣泛用于真實空間中的單分子行為成像研究，其中輕元素和重元素可以在各種對射線敏感的材料中一起成像。
圖2. 單個PX分子成像
研究人員建立了一個納米級范德華指南針，其中一個對二甲苯（PX）分子（作為旋轉指針）被限域在準二維（2D）ZSM-5（MFI-類型）沸石框架中。使用iDPC-STEM成像，研究人員可以有效解析ZSM-5框架的原子結構和PX分子的方向。根據這些方向，可以直接識別主客體之間的范德華相互作用，這些相互作用在空間和時間維度上都與通道的幾何形狀有關。
在ZSM-5沸石中， MFI型框架由交聯的直通道和正弦通道系統組成，可以分別從[010]和[100]方向成像。為了構建分子級范德華指南針，研究人員使用單個PX分子作為旋轉指針，并使用MFI型框架的直通道的Si10/O10環中的Si和O位置作為方向標記。
圖3. 基于PX指針分子指認方向
對橢圓形的Si10 / O10環進行編號，可以指示20個離散的方向，相距約18°。這樣的直通道（尺寸為5.6×5.3?）只能包含一個C6環（動力學直徑約為5.8?）作為尺寸匹配的指針。根據前人研究可知，單環芳族化合物可以穩定地限域在直鏈和正弦通道的交點處，并且它們的長分子軸和直通道接近平行（沿ZSM-5晶體的b軸）。指針與周圍的Si和O原子發生范德華相互作用，在能量上具有優先選擇的方向，并且它會旋轉（與傳統指南針中的指針一樣），隨著通道幾何形狀的變化而變化，從而能夠檢測到不同的范德華通道內的力場。
小結
總之，這項研究為單分子尺度范德華相互作用的研究提供了新的見解。奇思妙想，也為科研人員開拓思路提供了一個良好的范例。
參考文獻：
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
