单分子电子学的实验研究进展及未来10年展望:从器件到应用

单分子电子学的初衷是采用单个分子这种极致尺寸结构精确可控的材料作为电子器件的功能单元,以此来应对半导体器件尺寸的小型化进程.从第一次实验测试到单分子电导开始,单分子电子学经历了25年的发展,逐渐衍生出两条研究路线:一条是延续该领域的初心,通过采用单个分子构筑半导体器件,进而实现逻辑运算乃至分子计算芯片;另一条是开辟新的研究领域,采用单分子电子学技术作为单分子尺度物理化学过程的表征方法和研究工具.本文沿着单分子电子学的发展脉络,简述单分子电子学领域的重要研究进展,并对该领域未来发展趋势及所面临的挑战进行展望.     

奋进中的单分子科学

<正>单分子作为物质世界中独立稳定的基本单元,是构造物质的基因,是最稳定的量子化单元,是调控生命过程的关键,具有丰富的科学内涵.单分子科学与技术是人类极限的挑战和各国竞争的制高点,其发展可广泛推广和应用到其他领域,可解决物理、化学和生命科学等领域存在的许多关键科学问题,具有重要意义.过去数十年间,得益于纳米尺度加工技术等实验方法的迅速发展,研究者已经在实验室成功构筑出模型器件,实现了对单个分子、团簇、超分子的物理化学性质的实验表征.基于此,一系列不同于宏观材料性质的新奇物理化学特性已经被报道.     

利用扫描隧道显微镜研究单分子的最新进展

介绍了近年来单分子科学的最新研究进展和单分子研究的主要方法与技术手段,特别是利用扫描隧道显微镜进行的单分子研究工作。通过对在单分子尺度下若干特殊的物理现象和效应的讨论,说明单分子器件在未来科技中的巨大潜力,以及单分子研究对物理学发展所提供的机遇和挑战。     

磁性分子的量子相干操控

在量子信息科技的发展中,以电子自旋作为信息载体的分子基材料因其突出的可设计性和可扩展性而被寄予厚望.基于系综的量子信息材料研究在分子设计和量子操控策略方面已有较多积累.本文从分子基量子比特的构效关系和分子设计、分子基多能级量子位的研究现状和应用潜力、多功能磁性分子等角度介绍了近年来国内外分子基量子信息材料研究的概况,并总结了该领域已取得的成果和现状,展望了今后实现突破的潜在方向和技术路线要求.我们认为,分子基量子信息材料的发展需要走向单自旋表征和操控的新阶段,并整合自旋化学与量子信息科技,以构建新的研究范式.     

扫描隧道显微镜诱导发光的历史和进展

扫描隧道显微镜(STM)不仅可以用来观察和操纵纳米世界的一个个原子和分子, 而且其高度局域化的隧穿电流还可以用来激发隧道结发光, 能提供隧道结微腔内与各种激发及其衰变有关的局域电磁场响应和跃迁本质等信息. 这种利用STM隧穿电流的激发来研究隧道结发光特性的技术称为STM诱导发光技术(STML). 本文较为详细地介绍了该领域的研究历史、现状与发展趋势. 在简要介绍光子收集与检测等实验技术后, 概述了这一领域在金属和半导体表面方面的主要研究内容, 并针对目前广泛关注的隧道结分子发光进行了详细的阐述. 最后还简单介绍了STM诱导发光机制的理论研究, 并对整个领域的发展进行了展望, 特别是STM诱导分子发光技术对于研究单分子科学、单分子光电子学、以及纳米等离激元学的广阔前景.     

面向分子科学的数据智能

分子科学是化学的核心,也是生物、材料、药学等学科的基础.传统的分子科学研究通过实验或理论手段进行,研究成本高、周期长,难以处理高复杂度体系.随着大数据时代的到来,数据驱动的人工智能研究已成为继实验、理论和模拟之后的第4种科学研究范式.数据驱动的机器学习凭借其快速高效的数据处理能力,在分子科学领域展现出巨大的发展潜力.尤其是在分子性质预测、分子设计、化学反应预测及逆合成、量子化学计算、自动化合成等领域获得了广泛应用.本文首先介绍面向分子科学数据智能研究过程中的3个关键部分,即分子科学开放数据集、分子描述符和机器学习算法;然后,列举机器学习在不同分子科学研究方向中的重要应用案例;最后,分析讨论该研究领域可能存在的挑战及潜在发展方向.     

单分子力谱

基于原子力显微镜技术的单分子力谱是研究高分子体系中的分子内与分子间相互作用, 进而揭示其超分子结构的本质及动态过程的一种新型纳米表征技术. 结合我们近期的研究工作, 概述了单分子力谱的工作原理及单分子拉伸的判断标准, 讨论了单分子力学谱与超分子结构、高分子界面吸附形态与力谱形状、分子间特异性相互作用的直接测量等, 并对该领域的未来发展作了展望.     

两组分混合单分子膜分相结构的AFM研究

一些非完全互溶的混合单分子膜会在气-液界面发生相分离现象,形成多种二维微晶畴(Domain)结构,这为人们提供了一个了解与认识准二维混合体系中诸如相变、分相等多种物理过程的机会.同时,混合单分子膜这一结构形式,还提供了一种将多种功能分子组装于同一个单分子层中的方法.因此,对混合单分子膜微观结构的研究与表征具有十分重要的理论及实际意义.     

金属富勒烯单分子磁体

金属富勒烯是一类碳笼内部嵌入了金属离子或者金属团簇的富勒烯.当内嵌的金属离子含有未成对电子时,金属富勒烯具有顺磁性,而内嵌的金属团簇则形成了特殊的配位场,使得金属富勒烯表现出单分子磁体性质.基于金属富勒烯稳定性高、分子结构易于调控的优点,近年来金属富勒烯在单分子磁体领域崭露头角.自2012年首例内嵌氮化物金属富勒烯单分子磁体被报道以来,金属富勒烯单分子磁体的种类已扩展到内嵌碳化物金属富勒烯、氧化物金属富勒烯、硫化物金属富勒烯、氰化物金属富勒烯和双金属富勒烯等.本文首先简单介绍了金属富勒烯的结构特点,然后详细总结了目前报道的所有金属富勒烯单分子磁体,并通过对比不同类型的金属富勒烯单分子磁体的性能,讨论了影响金属富勒烯单分子磁体性质的因素,最后对金属富勒烯单分子磁体的发展前景进行展望.     

以多巴胺为功能单体的生物大分子印迹聚合物

分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer, MIP)是指功能单体与模板分子组装后发生聚合,通过移除模板分子得到的聚合物.与天然抗体相比, MIP具有制备简单、成本低廉、稳定性好、可重复使用等优点,因此被广泛地用于分离富集、化学传感、药物运输及生物催化等领域.近年来,分子印迹技术的发展促进了以生物大分子特别是蛋白质为模板的印迹材料的设计、制备和应用研究.由于生物相容性好,聚合反应条件温和且容易调控,多巴胺被用作功能单体在固体基质表面通过自聚合反应印迹生物大分子.本文综述这类分子印迹聚合物的设计和制备方法,并介绍印迹材料的性能表征和应用;重点论述以蛋白质为模板的印迹聚合物,同时兼顾以其他生物大分子如多肽、低聚糖以及病毒、酵母细胞等直接作为模板的印迹聚合物的合成和表征;最后讨论该领域的未来发展趋势和存在的挑战.     

功能化茂铁巯基共轭分子的合成与电化学性质

共轭有机低聚物由于其多样性、易修饰性等优良性质已被广泛应用于分子导线的设计与合成.单分子的组装与光电性能是共轭有机分子研究的重点与难点.含寡聚苯撑乙炔(OPE)构筑块的单分子自组装膜由于其良好的光电性能,已被大量地用于共轭分子导线的电子传递性能研究.二茂铁基团的引入,大大扩展了单分子自组装膜(SAMs)的电化学性质和应用范围.本文重点介绍了近十几年来含巯基(或乙酰巯基)茂铁共轭分子体系的结构与光电性质,并对其未来的发展进行了展望.     

植物重要膜蛋白的扩散与胞吞机制

膜蛋白作为细胞膜的重要组成部分,通常会发生胞吞循环以调控其在细胞膜上的数量平衡,或响应外界环境的刺激.单分子成像技术是近年来发展起来的,可用于在活细胞条件下对单个分子进行观测和研究的新技术,具有较高的时空分辨率,实现了在纳米和微秒水平上对单个分子的快速实时成像和精确分析.本文结合作者所在实验室取得的研究成果,介绍了利用单分子技术,包括全内反射荧光显微术、荧光相关光谱、荧光互相关光谱分析等方法,对植物几种重要膜蛋白在质膜上的运动特征以及胞吞途径的研究工作,总结了植物中脂筏微区分布及脂筏参与的胞吞途径对膜蛋白功能的调控机制,展望了植物质膜微区的精确划分以及膜蛋白胞吞之后的去向等方面所面临的难题.     

超分子体系中的分子识别研究Ⅲ——环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的手性识别

分子受体(主体)选择性键合底物(客体)形成超分子种类的研究在化学和生物化学等领域是当今一个研究热点.天然和化学修饰环糊精具有相当的刚性和良好的疏水空腔,可以作为分子受体识别各种有机和无机以及生物分子形成主-客体或超分子配合物,而且可以作为一种优良的酶底物相互作用的模型被应用于科学和技术的几个领域.我们近来对天然环糊精和各种环糊精衍生物与萘衍生物分子识别的热力学性质研究,有助于我们加深理解受体-底物之间的几种弱相互作用力,包括范德华力、氢键和疏水相互作用力,得到了有意义的结果.在目前的研究中,我们报道环糊精双核铜配合物对芳香氨基酸的分子手性识别.这样的一种     

书讯

《超越分子前沿:化学与化学工程面临的挑战》作者:21世纪化学科学的挑战委员会,陈尔强等译出版:科学出版社2004年4月定价:30元本书是美国政府关于化学科学的发展报告.由美国国家研究委员会及化学科学与技术分委会组织的21世纪化学科学的挑战委员会编写,我国国家自然科学基金委员会化学科学部推荐出版,北京大学化学与分子工程学院组织翻译.介绍了目前化学科学的发展状况及21世纪的发展方向.内容包括12章:引言;学科的结构和文化;合成与生产;物质的化学和物理转化;分离、鉴定、成像、以及物质和结构的测量;化学理论及计算机建模;与生物学及医学…     

基于Pickering乳液的分子印迹技术

分子印迹是一门制备人工抗体材料的技术,已广泛应用于样品前处理、化学传感、污染物分离以及药物输送等领域.分子印迹技术的发展趋势是制备多功能分子印迹聚合物材料以及拓宽分子印迹聚合物材料的应用范围.由于在上述两方面均具有巨大的应用前景,基于Pickering乳液的分子印迹技术成为近年来分子印迹领域研究的热点.本文对近期基于Pickering乳液的分子印迹技术的相关工作进行了总结,概述了其在小分子、蛋白质以及细菌印迹聚合物制备中的研究进展,探讨了这种新型分子印迹技术的优点和局限性.此外,重点介绍了分子印迹颗粒稳定的Pickering乳液在颗粒多功能化、传感器制备、界面吸附以及界面催化等领域的应用现状和研究前景,展望了未来基于Pickering乳液的分子印迹技术的发展方向.     

基于分子印迹的蛋白质识别及应用研究进展

分子印迹是制备具有模拟抗体分子识别特性材料的技术,其制备方法简单、成本低、材料稳定性好,已广泛应用于固相萃取、色谱分离、模拟酶催化、生物化学传感器、药物递送等领域.分子印迹发展至今,小分子印迹技术发展迅速,而蛋白质分子印迹研究发展相对缓慢,这主要和蛋白质复杂的自然属性有关.虽然蛋白质分子印迹挑战巨大,但是在国内外科研工作者的不懈努力下,近年来蛋白质分子印迹已取得一定的研究进展,其中不乏一些成功的新型蛋白质印迹策略.这些性能优异、功能独特的新型蛋白质印迹材料,已成功应用于蛋白组学、疾病诊断/治疗、生物成像等领域,并表现出巨大的潜在应用价值.本文总结了近10年以来蛋白质分子印迹的新方法、新策略和潜在应用前景,分析了蛋白质分子印迹领域的发展现状及存在的挑战,并展望了该领域的机遇和前景.     

单个DNA分子的拉直操纵和成像

利用分子梳技术,将ＤＮＡ拉直在硅烷化的云母表面,实现了单分子ＤＮＡ的荧光微镜和原子力显微镜探测,同时,利用改进的动态分子梳技术进行了ＤＮＡ分子拉直操纵的原子力显微术研究。结果表明,对于ＤＮＡ拉直操纵,改进的动态分子梳技术与原有的动态分子梳相比具有样品用量少、污染小的优点,与一般的分子梳技术相比有更好的拉直效果和重复性。这种ＤＮＡ分子操纵与单分子ＤＮＡ荧光显微术、原子力显微术结合,将在分子动力学基础     

界面分子组装与表面图案化

表面图案化是指在至少一维的方向上生成纳米级的规则表面结构. 它在超分子科学、材料科学, 微电子学及细胞生物学等方面均有重要的科学意义和应用价值[1]. 表面图案化主要用于表面性质的调控. 微观尺度的表面结构可以用来控制黏附、摩擦及浸润等材料表面性质, 该性质与分子间相互作用和表面拓扑结构密切相关. 选择性吸附和表面特异性识别更是要求控制表面的各向异性性质. 在微电子领域, 人们已经开始探讨图案化表面材料用作高密度磁性存储介质的可能性. 量子点阵激光、量子级联激光和单电子二极管的出现也从根本上改变了传统器件的基本概念.…     

有机二阶非线性光学材料综合性能的优化策略

二阶非线性光学材料在激光技术中发挥着非常重要的作用,寻找综合性能优良的有机二阶非线性光学材料一直是材料和光学领域的前沿方向.目前的研究重点主要在于合成具有高二阶非线性光学效应和取向稳定性以及低光学损耗的非线性光学高分子材料,以更好满足高性能光学器件的制作要求.近几十年来,在多种分子模型及理论计算的支持下,科学家相继开发出许多行之有效的策略和方法,在这一领域取得了多方面重要的开拓性研究进展.本文首先介绍有机二阶非线性光学材料的核心构筑单元——生色团的设计与优化,阐述了共轭桥和电子给受体的结构对其微观二阶非线性光学性质的影响;然后结合“位分离”原理和“合适间隔基团”概念,总结了有效转换生色团的微观二阶非线性光学性质到材料宏观二阶非线性光学性能的策略和方法.在此基础上,围绕此类材料中存在的“非线性-稳定性”矛盾以及“非线性-透光性”矛盾探讨了综合性能优化的策略,从多角度归纳了分子设计的基本原则与改进方案以及分子聚集结构调控的有效途径.最后,针对该材料体系在实际应用中面临的关键挑战,对该领域未来的研究发展方向进行了讨论与展望.     

道地药材分子生药学研究进展和发展趋势

分子生药学是在分子水平上研究中药的鉴定、质量的形成及活性成分生产的一门学科.具有很强的交叉性和探索性,其发展推动了中药学、分子生物学、农学、植物生理学、植物生态学等不同学科的交叉融合.道地药材是最具中医药特色的研究对象之一,《中华人民共和国中医药法》中明确规定:道地中药材是指经过中医临床长期应用优选出来的,产在特定地域,与其他地区所产同种中药材相比,品质和疗效更好,且质量稳定,具有较高知名度的中药材.道地药材分子生药学研究始于20世纪90年代,在中药资源分类与鉴定、活性成分生物合成与调控、道地药材生物学成因等方面获得了一系列新发现和新认识,深刻改变了人们对中药材质量及其形成过程的理解. 2019年中药领域的第一个国家自然科学基金重大项目"中药道地性研究"立项,其中有关中药道地性的遗传成因研究旨在系统解读道地性的遗传属性,为建立道地药材科学评价体系和质量标准、科学指导我国道地药材生产发展和可持续利用提供技术支撑,这给分子生药学研究提出了更高要求.本文综述了道地药材分子生药学的研究现状、主要方向、关键科学问题和研究进展等,并着眼于现代生物学发展前沿技术对该领域研究提出了若干建议,以期有助于推动分子生药学学科发展和道地药材现代研究.