2021年4月21日，清华大学魏飞团队利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）实现了对单个对二甲苯（PX）分子在准二维ZSM-5分子筛内的原子分辨率的直接成像，为探究多孔材料主客体相互作用提供了一种非常直观通用的研究手段和方法，对研究多孔材料吸附、传递、反应和相变有着重要意义，相关研究成果以题为“A Single-Molecule van der Waals Compass”在国际顶级期刊《Nature》上发表。重庆大学前沿院跨尺度多孔材料研究中心参与了该项研究工作，为合作署名单位。
利用该成像技术，PX分子在分子筛孔道内具有非常好的衬度，而选用的准二维分子筛因为厚度很薄，又排除了投影方向衬度相互叠加的影响。通过对高分辨照片的分析，发现在不同孔道中，PX分子的取向是明显不同的。他们发现PX分子中的两个甲基使得苯环在孔道中立起来，苯环平面就形成了一个可以旋转且有明确取向的单分子指针。
通过计算和模拟可以发现PX分子取向与孔道的几何形状直接相关 （如图1所示）。因此该分子就如指南针一样，其取向能够反映孔道几何形状的变化和孔道内范德华相互作用。通过该研究，可以预见，iDPC-STEM这种成像技术的进步将促进客体分子物理和化学性质的进一步研究，并为多种单分子行为带来全新的理解。
图1.不同孔道内PX分子的不同取向
值得一提的是，重庆大学前沿院跨尺度多孔材料研究中心是最早将iDPC-STEM应用于多孔材料高分辨率成像的研究单位，是该领域的开拓者之一。其成员在过去两年间取得一系列高影响力的研究成果，包括利用iDPC-STEM直接观察金属有机骨架MIL-101的多种表面结构（J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 30, 12021–12028），分子筛ZSM-5孔道中吸附的有机物种和锚定的金属物种（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 819-825），并受邀发表相关综述 （Commun. Chem. 2020, 3, 99）。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03429-y
