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．     

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.     

分子整流器的共振隧道效应

讨论了分子整流相关的Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｂｌｏｄｇｅｔｔ膜的共振隧道效应和单分子、双分子整流器等分子整流概念。这种整流器的整流机制不同于Ａｖｉｒａｍ－Ｒａｔｎｅｒ提出的原始分子整流器模型，也不同于普通半导体的ｐ－ｎ结的整流理论。在这种新概念中，只有整流分子的成键轨道对整流有贡献，而反键轨道在外加偏压时不参与载流子传输。     

分子器件

本文对分子器件的概念和研究目标作了描述，并对分子导线、分子开关、分子整流器、分子存储器、分子计算机当前的研究状况和存在问题作了简单介绍．     

激光单分子探测的实验研究

单分子探测技术是一项超高灵敏度的探测技术，在生物、医学和环境等领域有着广泛的应用。在这里，本文简要介绍了基于激光诱发荧光方法的单分子探测谱仪的原理和装置，以及用ＣＣ５染料分子在该探测谱仪上进行的若干实验研究结果，包括样品流速的影响、能量特性、浓度线性、检测限等方面，并讨论了光漂白现象对实验结果的影响。     

分子器件的研究进展

分子器件作为下一代电子器件近年来得到了迅速的发展．文章回顾了分子器件的发展历程和研究现状，并重点对分子导线、分子开关、分子整流器和分子晶体管等器件进行了介绍。     

利用扫描隧道显微镜表征和操纵单分子

扫描隧道显微镜（STM）提供给我们一种表征单分子的局域物理和化学特性的特殊方法，甚至还能帮助我们操纵单分子以构造分子尺度的新型器件。本文中我们采用了两种新型STM技术分别来表征封装在富勒烯笼里面的金属原子和构造一种具有较强Kondo效应的分子器件。空间dI/dV映像谱被用来探索单个Dy@C82分子中能量分辨的金属-笼杂化态，揭示了有关Dy原子在碳笼中的空间位置和Dy-碳笼之间相互作用的重要信息。我们也通过控制STM针尖诱导的高电压脉冲来诱导CoPc分子的边缘脱氢化，从而改变了这个分子在Au(111)表面的吸附构型，导致吸附在Au表面的完整CoPc分子所不具备的Kondo效应产生。     

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．     

超分子屏蔽效应对富勒烯自由基C59N·稳定性的影响及其诱导的(C59N)2中键接碳笼C-C键的转移重构

富勒烯自由基通常是在空气中短暂存在或不稳定的短寿命物种,超分子屏蔽是近年来被发展用于稳定富勒烯自由基稳定的一种有效策略.本文将共价桥联碳质π电子共轭双嵌N分子碗作为客体C₅₉N·富勒烯自由基的理想宿主体,通过密度泛函理论计算研究了二者之间的主客体相互作用、热力学、自旋电子密度等性质.结果发现C₅₉N·富勒烯自由基嵌螯在该钳形双分子碗的凹穴内而被屏蔽,从而有效避免单电子结构的暴露和C₅₉N·自由基之间的化学二聚,即显著增强其动力学稳定性和寿命,这种策略对富勒烯自由基在自旋电子学、超分子电子器件或光电转换器件等领域的应用具有潜在指导价值.此外,本研究还发现通过超分子屏蔽策略,理论上可以实现对(C₅₉N)₂二聚体分子中键连两个碳笼的C-C进行重构,这也为富勒烯相关体系中C-C键构建的提供了一种新的思路与途径.     

单分子分叉反应机理

本文提出单分子叉反应三种模式并导出其反应速率公式，由此指出，尽管单分子分叉反应总速率具有单分子反应特性，但它有竞争机制，因而不同于Ｌｉｎｄｅｍａｎｎ机理，在特殊条件下，Ｌｉｎｄｅｍａｎｎ机理只是其特例。     

C59N单分子整流器

通过将单个C59N分子置于双势垒隧道结中，从而利用单电子隧穿效应和C59N分子的特殊能级结构，我们成功地实现了一种新型的单分子整流器件．实验中这个整流器件的正向导通电压约为0．5-0．7V，反向击穿电压约为1．6—1．8V．理论分析表明，中性C59N分子的半占据费米能级以及在不同充电情况下费米能级的不对称移动是形成整流效应的主要原因．其构成原理也决定了该器件具有稳定、易重复的特点．     

富勒烯分子簇三阶非线性光学特性

最近，富勒烯分子簇合成和分离的成功，已引起了人们对其非线性光学性质的重视，对富勒烯６０分子，Ｃ７０分子非线性光学响应的起源，测试方法及结果进行了综述和分析，最后对此方面研究的发展进行了探讨。     

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。     

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．     

单分子荧光检测在生命科学中的应用

文章对单分子荧光检测在分子马达、离子通道、信号分子、蛋白折叠、蛋白构象变化动力学、酶活性反应、细胞过程实时观察等生命科学领域中的应用进行了介绍.这些研究结果表明,单分子荧光检测在研究生物大分子的活动规律与机制方面不但有着无法替代的优越性,而且有着广阔的发展空间.     

分子磁学--一个新兴的前沿研究领域

分子磁学是一个新兴的前尚交叉学科。文章简要介绍了该学科的主要研究内容,并对近年来发展最快的几个研究热点,即分子内磁耦合作用与分子磁工程、分子基铁磁体、单分子磁体、自旋转换配合物和生物体系内磁耦合作用,作一简要评述和展望。     

哑铃型富勒烯化合物的光诱导电子转移反应

DTE-甲亚胺叶立德盐(DTE:二噻吩乙烯基)与C60在甲苯中的1,3-偶极环加成反应被用于合成新型的哑铃型富勒烯化合物1．为了与1作比较,还同时合成了单加成物2.并通过HF-3/21G方法计算确定了这两种化合物分子的几何结构,同时在室温下测定了化合物在不同极性溶剂中的紫外-可见光谱和荧光光谱,证明了化合物内给体和受体间光诱导分子内电子转移过程的存在．     

Effects of Calcium Ions on Thermodynamic Properties of Mixed Bilirubin/Cholesterol Monolayers

通过?-A等温线研究了含钙离子浓度不同的水溶液亚相上胆红素/胆固醇混合单分子膜的性质．在此基础上,采用数学方法计算了不同亚相上单分子膜的平均单分子面积、崩溃压、表面压缩系数、超额单分子面积、混合自由能和超额自由能．结果表明,在钙离子溶液亚相上混合单分子膜的结构发生扩张,并且在界面上形成非理想混合单分子膜．与理想混合时相比,这种混合单分子膜在超额单分子面积上表现为明显的正偏差．在纯水亚相上,胆红素与胆固醇的摩尔比为3:2时混合单分子膜为热力学最稳定体系．但是在钙离子浓度逐渐增大的亚相中,这种摩尔比的混合单分子膜热力学稳定性被破坏,即混合单分子膜中的不同组分间自发混合能力下降,这是由于受到钙离子与胆红素和胆固醇之间配位作用的影响．此外,在钙离子溶液亚相中,在较低的表面压下制备出的混合膜具有更好的热力学稳定性．     

花生酸与柿β—二酮络合物混合单分子膜的成膜特性

将β-二酮络合物(Ce(tmhd)4)的氯仿溶液与花生酸(AA)的氯仿溶液以不同摩尔比混合并铺展在纯水亚相上，得到其与AA的混合单分子膜．对混合单分子膜的成膜特性(π-A等温线和体系超额自由能)进行了探讨，发现混合单分子膜的超额自由能为负值，混合过程为热力学自发过程，且在配比为1：2时其绝对值最大，体系最稳定，并进一步讨论了混合单分子膜可能的凝聚态结构．在配比为1：2时，研究了混合单分子膜的静态弹性和动态弹性。     

单分子器件电输运中基于量子干涉效应的调控策略

单分子器件电输运中的量子干涉效应是电子在分子独立的轨道能级内传输时因保持量子相干性,从而在不同能级之间发生相互干涉的现象.这种现象导致了电子在单分子器件内透射概率的增加或减小,在实验中体现为单分子器件电导值的升高或降低.近些年,利用量子干涉效应对不同的单分子器件进行调控在实验中被证实是有效的调控手段,如对单分子开关、单分子热电器件、单分子自旋器件等器件性能的调控.本文介绍了量子干涉效应的相关理论与预测、实验观测与证实,以及其在不同单分子器件上的调控作用.