分子机器研究前沿

分子机器以其在微观层面上可精准操控的特点，在分子器件、纳米发动机、医疗、智能材料等领域具有重大应用价值并引起了广泛的关注。分子机器研究虽然已获2016年诺贝尔化学奖，但目前其离真正实用化还有很长的一段路要走。文章聚焦近年来分子机器在合成、表征、构建固态以及能做功功能体系等方向的研究成果，并对该领域的未来进行了展望。     

世界上最小的机器——2016年诺贝尔化学奖解析

2016年的诺贝尔化学奖颁给了Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa三位科学家, 以表彰他们在设计与合成分子机器领域的卓越贡献。本文主要介绍了分子机器的概念,以及三位科学家在开拓该领域过程中取得的代表性成果,并对这一新领域的未来做出了展望。     

三蝶烯及其衍生物的合成与应用研究进展

三蝶烯及其衍生物是一类具有独特的三维刚性结构的化合物, 它们在过去的20多年内受到了人们很大的关注, 并已在包括分子机器、材料化学以及超分子化学等许多领域内得到了广泛的应用. 本文将概述三蝶烯及其衍生物的主要应用研究成果, 重点介绍我们研究组于近年来在基于三蝶烯的新型受体分子合成及其在分子识别与组装中应用的研究进展.     

本期内容简介

正分子机器以其在微观层面上可精准操控的特点,在分子器件、纳米发动机、医疗、智能材料等领域具有重大的应用价值并引起了广泛的关注。本期特约专稿文章聚焦近年来分子机器在合成、表征、构建固态以及能做功功能体系等方向的研究成果,并对该领域的未来进行了展望。     

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.     

单分子科学的机遇与挑战

单分子作为物质世界中独立稳定的最小单元,是构造物质的基本单元,是最稳定的量子化单元.单分子研究是对人类表征和检测技术极限的挑战,已经成为各国竞争的制高点.单分子科学作为一个前沿交叉领域,融合了分子结构设计、单分子超分辨、单分子物理化学性质研究、理论模拟等多层面工作,孕育着不可估量的突破.本综述以单分子科学为主题,对该领域的整体发展概况和突破性成果进行系统梳理.首先,从基础科学与应用两个层面介绍单分子科学与技术研究的意义;然后,重点阐述基于电学、力学、光谱学等技术对单分子不同维度性质进行表征的进展,并着重介绍我国学者为推动单分子科学研究领域发展所作出的巨大贡献;最后,归纳并展望未来单分子科学领域发展所面临的机遇与挑战.     

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.     

充斥细胞的纳米分子机器

分子机器种类繁多 一个小小的生物细胞中,居然充斥着种类繁多的纳米级分子机器。它们和人类制造的机器一样,由许多部件相互配合,行使着特定的功能。     

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.     

人工分子机器的历史、现状、展望

2016年诺贝尔化学奖授予斯托达特、索瓦日和费林加以表彰其在"人工分子机器的设计与合成"领域的开创性研究.本文围绕分子机器的发展历史,从机器的运动方式入手,简述分子机器的研究进展以及相关化学家的杰出成就.     

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.     

有机/无机复合型电、磁分子功能材料

介绍了分子导体、超导体和分子铁磁体等功能性分子材料发展的背景,回顾了其发展历史;对构建和组装功能性超分子材料的前体化合物所应具备的结构特点进行了描述和总结;综述了分子导体、超导体和分子铁磁体等功能性分子材料的最新研究进展及其导电、超导、磁相互作用的原理;最后评述了多功能分子材料物理性质间的协同效应机制,并展望了这一领域的发展趋势和前景。     

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.     

DNA分子计算与DNA计算机的研究进展

生物分子计算与DNA计算机是计算机科学和分子生物学交叉产生的新兴领域. DNA计算机的特点是具有超强的并行运算能力和巨大的数据存储能力, 因而被认为有望解决电子计算机所面临的评价问题. 本文在介绍DNA计算机的基本概念基础上, 围绕DNA计算机的原理、计算模型和在多方面的应用等关键问题, 分析讨论了粘贴模型、剪接模型和等价检查模型等常用的DNA计算模型, 并对DNA计算机在NP问题、遗传分析与临床诊治、防伪和译码技术以及游戏与机器人等领域的研究进展和应用前景进行了探讨. 最后讨论了DNA计算机未来可能的发展方向.     

近看分子机器人

我们周围随处可见形形色色的工具和机械,从钳子这样的小东西到传送带、吊车这样的庞然大物,简直不胜枚举。如果有一天机械突然消失不见,人类的生活显然将会变得束手无策举步维艰。目前正有科学家试图把对人类来说如此重要的机械在分子尺寸上组装起来,制造一种极其微小的装置,这种装置被称为"分子机器人"或"分子机器",     

超分子主体化合物环糊精应用于环境污染物分离分析的研究进展

超分子化学是化学的一个崭新的分支学科, 它是研究分子间相互作用缔结而形成复杂有序且具有特定功能的分子聚集体的科学. 超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用, 以分子识别为基础, 设计、合成、组装具有新颖性能的超分子功能材料, 将为分析科学提供理论指导和新的应用体系, 为生命科学、材料科学、环境科学等共同发展做出巨大贡献. 本文对超分子主体化合物环糊精作为分子识别功能材料, 在环境污染物分离分析应用中的研究进展进行了简要概述, 以期探讨环糊精及其衍生物在未来环境领域有机污染物、特别是持久性有机污染物和新型污染物分离分析中的应用前景和发展趋势.     

分子基磁性材料的研究与展望

根据当前国际前沿的研究动态 ,结合作者在该领域的多年工作 ,对新一代的功能材料———分子基磁性材料的发展历史、研究基础和可能有突破的研究热点体系作了通俗的介绍 ,并简述了其潜在的应用前景     

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     

可调谐发光超分子体系研究取得新进展

配位络合驱动的超分子体系的设计、合成和性质研究是目前配位化学最活跃的研究领域之一,它涉及无机化学、物理化学、有机合成、晶体学等多学科领域;同时又是合成新型功能材料的有效途径.近年来,化学家们利用自组装概念合成了众多的配位络合驱动的超分子体系,并发现了一批具有新奇物理和化学性质的新材料,如分子识别、磁性、催化、发光、非线性光学、气体存储等方面的功能材料.     

具有钙钛矿结构的分子铁电体研究进展

铁电材料是一类重要的功能性材料,由于其特殊的可翻转的自发极化,铁电材料在能源、信息、传感、医学等领域都有着广泛的应用.自20世纪以来,具有钙钛矿结构的铁电材料由于其优异的性质一直活跃在应用的舞台上,而其中应用较为广泛的几乎都是无机钙钛矿材料.近年来,随着科学技术的发展,人们发现了众多具有钙钛矿结构的分子铁电体.这些新型的分子铁电体具有较低的声阻抗、容易进行结构设计和调控、容易实现多种功能特性等优点,有望在柔性电子学、薄膜器件等应用中成为无机钙钛矿铁电材料的有益补充.本文结合分子钙钛矿铁电体的设计思路,对近年来其在压电、能隙调控、光电等功能特性方面取得的进展进行了介绍.