单分子物理与化学的新进展

本文对新兴边缘学科-单分子物理与化学的一些研究进展进行简要综述。在对单分子科学中几类基本实验技术如扫描隧道显微术和光镊技术等作了简要介绍之后,重点评述了单分子实验技术和研究方法在物理、化学、生物和分子电子学等学科领域的应用和影响。基于扫描隧道显微术和电子结构计算,列举了最近几个关于单分子高分辨表征、单分子器件和单分子量子调控等方面的研究实例。最后对单分子物理与化学的发展前景进行了展望。     

单分子科学进展

综述了新兴边缘学科－－单分子科学的进展。对单分子科学的基本实验技术即扫描探针显微术、荧光技术和光镊技术进行了介绍。结合众多的实例（如：对单原子的直接操纵、直接测量化学键强度、在DNA链上“拔河”、用单个C60分子作放大器等）评述了单分子科学方法在各学科领域的广泛应用,以及单分子科学对它们产生的深远影响。最后对单分子科学的发展前景进行了展望。     

扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

单分子科学是一门新兴的交叉科学,在当前的科技发展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在研究组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的研究工作进展为例,概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用,重点介绍了以下成果：在硫醇分子自组装单层膜上观测到C60分子的本征笼状结构,并发现了一种新颖的由C60分子取向产生的拓扑序;结合实验图像和理论模拟,确定了单个C60分子在Si(111)-7×7表面的吸附取向;通过对金属富勒烯分子Dy@C82进行空间和能量分辨成像及相关理论模拟,确定了金属原子相对碳笼的位置及分子的取向;利用扫描隧道显微镜针尖对吸附在Au(111)表面的单个CoPc分子操作“分子手术”,以实现其吸附态和自旋态的量子调控;发现了一种由单电子隧穿和C59N分子的特殊能级结构产生的新的整流机制;发现了一种由针尖电子态和CoPc分子中Co原子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应.     

扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用

单分子科学是一门新兴的交叉科学,在当前的科技发展中具有重要意义.扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具.文章以作者所在研究组近年来在单分子表征、操控和原型器件设计等方面的研究工作进展为例,概述了扫描隧道显微镜在单分子科学中的应用,重点介绍了以下成果:在硫醇分子自组装单层膜上观测到C60分子的本征笼状结构,并发现了一种新颖的由C60分子取向产生的拓扑序;结合实验图像和理论模拟,确定了单个C60分子在Si(111)-7×7表面的吸附取向;通过对金属富勒烯分子Dy@C82进行空间和能量分辨成像及相关理论模拟,确定了金属原子相对碳笼的位置及分子的取向;利用扫描隧道显微镜针尖对吸附在Au(111)表面的单个CoPc分子操作"分子手术",以实现其吸附态和自旋态的量子调控;发现了一种由单电子隧穿和C59N分子的特殊能级结构产生的新的整流机制;发现了一种由针尖电子态和CoPc分子中Co原子轨道的空间对称性匹配产生的负微分电阻效应.     

单分子操纵与单分子生物物理

文章介绍了近年来发展起来的一些单分子操纵实验技术如光镊、磁镊、微针、斯托克斯拖曳技术，以及应用这些技术拉伸、旋转、解链DNA分子，从而研究其力学性质所取得的研究进展．各种蛋白质如T7 DNA聚合酶、拓扑异构酶，SWI／SNF染色质重建复合体、RNA聚合酶与DNA的作用在生化过程中十分重要，因此，文章也介绍了这些蛋白质与DNA在单分子的水平上相互作用所取得的研究进展．     

单分子操纵与单分子生物物理

文章介绍了近年来发展起来的一些单分子操纵实验技术如光镊、磁镊、微针、斯托克斯拖曳技术,以及应用这些技术拉伸、旋转、解链DNA分子,从而研究其力学性质所取得的研究进展.各种蛋白质如T7 DNA聚合酶、拓扑异构酶,SWI/SNF染色质重建复合体、RNA 聚合酶与DNA的作用在生化过程中十分重要,因此,文章也介绍了这些蛋白质与DNA在单分子的水平上相互作用所取得的研究进展.     

表面科学中的单分子研究

简要介绍了表面科学中单分子研究的主要技术手段、研究现状及其发展趋势,特别介绍了扫描隧道显微术（scanning tunneling microscopy,STM)在此研究领域的重要作用以及所获成果等,内容涉及STM技术的特点,材料的表面结构、表面吸附分子的观察、基体对吸附分子成像的影响以及分子操纵和分子器件的构筑等。     

单原子分子测控的进展

单原子分子测控是近年来发展起来的实验技术 ,其操作对象是单个的原子或分子。完整的单原子分子测控包含了对单原子分子的成像、识别、操纵和组合分解四个方面。本文分别对这四个方面进行了系统综述 ,介绍了国内外相关技术的发展和现状 ,并对其未来做了展望     

能量与空间分辨的单分子显微术--透过碳笼"看"富勒烯包合物内的金属原子

文章作者用探测扫描隧道电流微分谱的方法，对金属富勒烯包合物分子进行了研究，得到了Dy@C82同分异构体Ⅰ的金属-碳笼杂化态在实空间的能量分布图，通过将实验与理论模拟的结果进行比较，推断出Dy原子在碳笼中的位置以及金属富勒烯包合物分子在衬底表面的吸附取向．这项技术为单分子纳米器件的表征和诊断提供了新的途径．     

单原子分子测控的进展

单原子分子测控是近年来发展起来的实验技术,其操作对象是单个的原子或分子。完整的单原子分子测控包含了对单原子分子的成像、识别、操纵和组合分解四个方面。本分别对这四个方面进行了系统综述,介绍了国内外相关技术的发展和现状,并对其未来做了展望。     

用扫描隧道显微术进行单原子操纵的机理研究

本文简要综述利用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）进行单原子操纵的物理机制。主要介绍了场增强的扩散、在表面上拖动（ｐｕｌｉｎｇ）推动（ｐｕｓｈｉｎｇ）原子、原子在针尖表面间接触和近接触转移、场致蒸发／脱附、隧道电子非弹性射激发和电子迁移的“电子风力”等过程。同时介绍了一些理论处理方法和对一些实验结果的解释。     

DNA单分子弹性理论

随着单分子操纵技术的发明与发展，人们已经可以对单个生物大分子施以力或力矩，并测量它们的物理性质，DNA单分子的力学实验表明，在分子尺度上理解生物大分子的生化过程，力与能量是同等重要的结构与功能参数。一个梯子模型被用来描述双链DNA的外力拉伸曲线，在这个模型中，DNA是由许多碱基对(梯子的横杆，横杆之间存在吸引势)连接两条聚核苷酸虫链(梯子的两侧)形成的高分子，利用路径积分法得出的理论曲线与实验曲线吻合得很好，对于单链DNA，用分立的杂化高分子链统计理论的母函数方法来计算其弹性行为，得出与实验相符合的外力引起的解链相变结果。此外，对于抑瘤蛋白p53识别序列DNA微环弹性进行分析，发现其弹性模量只是通常随机序列的三分之一。     

离焦系统下的单分子三维取向研究

提出了一种新思路来确定单分子的三维取向,在全内反射荧光显微成像的基础上,在显微镜的油镜上加一个水层,水和油的折射率不同造成光程差,产生离焦,利用全内反射产生隐失波激发了单分子的纵向分量,并在探测器前增加了一个分光镜,把光路分成偏振方向相互垂直的两束光,使得探测器上的光场分布包含单分子三维取向的信息。推导了隐失场激发的偶极矩光场在探测器上的光强分布表达式,通过分析偏振方向相互垂直的两束光在探测器上的不同的强度分布,来判断单分子偶极矩的三维取向。     

原子、分子以及电荷的原子力显微术操纵及其应用

原子力显微术在原子级分辨表征、化学键识别、探测电荷密度分布等领域都有重要的应用.本文在介绍原子力显微术基本工作原理的基础上,着重介绍其在室温原子操纵、对原子/分子操纵过程的表征、以及绝缘基底上的电荷操纵三个方面的工作进展.主要内容有:1)原子力显微术的成像原理及其对典型分子的化学键分辨表征; 2)原子力显微术在室温下的力学操纵和原子识别能力; 3)用原子力显微术操纵分子表面异构或吸附构型变化并表征该过程中的相互作用力; 4)在绝缘基底上通过原子力显微术对单分子及多分子的电荷操纵.原子力显微术操纵在这些领域内的工作拓展了扫描隧道显微镜在原子/分子操纵方面的工作范围,为理解并精确控制操纵过程及构造纳米尺度器件提供了新的思路.     

在Au(111)表面酞菁单分子与钴原子可控金属化反应

本文利用低温扫描隧道显微术和第一性原理计算研究了吸附在Au(111)表面的酞菁分子(H₂Pc)与Co原子在单分子水平上的金属化反应过程. 通过扫描探针的操纵手段,以可控的方式原位实现了单个H₂Pc分子与钴原子反应生成CoPc的金属化酞菁产物,揭示出源于H₂Pc和Co原子的π-d相互作用的中间过程. 结合第一性原理计算和中间产物的图像模拟,进一步阐明了这一氧化还原反应中成键和断键的关键机制,即脱氢和金属化过程并非由Co原子和吡咯环的H作用所致,而与Co原子和吡咯环上的N原子之间的作用有关.     

中科大单分子器件基础研究获新进展

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室单分子物理化学研究团队,利用低温超高真空扫描隧穿显微镜,巧妙地对三聚氰胺这个比头发丝的六万分之一还细的小分子进行了单分子手术,将其从普通化工原料转变为既有二极管效应又有机械开关效应的双功能单分子器件,为单分子器件的多功能化开辟了新的思路．这一成果发表在近期出版的美国《国家科学院院刊》上．     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领,同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的,因此在生物单分子探测过程中,纳米光学发挥了巨大的作用.文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术,包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术（包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术）和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展,从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用,并对其未来的发展方向进行了展望.     

用扫描隧道显微术实现室温下的单电子隧穿效应

单电子隧穿效应通常只能在低温下实现。最近，采用扫描隧道显微术在纳米尺度的范围内实现了室温单电子隧穿，清晰地观察到了库仑阻塞现象和库仑阶梯特性。这是单电子隧穿研究中的重大进展，将在简要叙术单电子隧穿物理过程的基础上予以介绍。     

超高密度信息存储分子存储及其存储机理

在有机功能纳米薄膜上通过扫描隧道显微技术实现了超高密度的信息存储,存储点的大小在13nm左右,存储点间距为15nm,相应的存储密度为1013bitscm2.实验与理论计算的结果表明,其存储机理是薄膜的导电性质的变化.     

正交像散高密度三维单分子定位显微的数值模拟

单分子定位显微(single molecule localization microscopy, SMLM)成像技术利用荧光分子的稀疏发光、探测及定位,实现了纳米级空间分辨率的超分辨成像.为了提高其时间分辨率,需要提高同时发光的荧光分子密度.但随着分子密度的提高,不同分子的点扩散函数(point spread function, PSF)在探测器上将发生严重的重叠现象,导致空间分辨率降低,尤其是在进行三维SMLM成像时.为了解决这一问题,本文提出了一种基于正交像散的高密度三维单分子定位超分辨成像方法,并对该方法进行分析和数值模拟研究.该方法的核心是在单分子定位显微镜中将采集的荧光分成两束成像在同一个探测器的两个区域,并在两个通道中各引入一个光学参数相同但取向相互正交的柱透镜,实现对同一个荧光分子正负两个像散PSF图像的同时探测,然后建立该成像过程的线性投影模型,利用压缩感知算法求解出荧光分子的三维定位信息.结果表明,由于两个正交柱透镜产生的一组正交像散PSF对作为一个分子的系统响应时具有较低的相关性,该方法的高密度三维定位准确性可显著优于采用单个柱透镜的传统像散方法,且离焦程度越大两个...