●記者 田姬熔 實(shí)習(xí)記者 崔現(xiàn)芳
魏飛
2021年4月22日，魏飛團(tuán)隊(duì)的研究成果——利用單分子成像技術(shù)探測(cè)到分子篩孔道內(nèi)范德華相互作用，刊登于《Nature》雜志，并入選2021年度“全國(guó)高校十大科技進(jìn)展”。
2022年7月13日，團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步的研究成果以“電子顯微鏡對(duì)分子篩限域單分子的原子級(jí)成像”為題，再次登上《Nature》雜志。
魏飛，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，曾主持設(shè)計(jì)30余臺(tái)多相反應(yīng)器投入商業(yè)運(yùn)行，研究成果獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2002年、2008年），發(fā)表論文600余篇，其中多篇在Science、Nature等頂級(jí)刊物發(fā)表……
在魏飛的日常工作中，與工業(yè)界頻繁的互動(dòng)占據(jù)了他幾乎一半的時(shí)間——不斷有大型企業(yè)負(fù)責(zé)人帶著發(fā)展中的問(wèn)題來(lái)訪(fǎng)，試圖從學(xué)術(shù)界尋求破題之策。
這是一個(gè)窗口，魏飛由此體會(huì)到現(xiàn)代化工企業(yè)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聚力攻關(guān)，突破了一批“卡脖子”難題，自覺(jué)承擔(dān)起以科技創(chuàng)新助力企業(yè)綠色發(fā)展的使命。
魏飛和課題組師生在實(shí)驗(yàn)室
“我把多孔材料的結(jié)構(gòu)拍出來(lái)啦”
用更精密確切的手段和方法觀(guān)察原子尺度的微觀(guān)世界，“這種對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深入分析，是我們認(rèn)識(shí)這個(gè)世界的最基本方式。”魏飛說(shuō)。
九年前，魏飛團(tuán)隊(duì)選擇了一條關(guān)于“看見(jiàn)”的研究之路：在分子篩中利用相位襯度成像技術(shù)在非冷凍條件下，探索以更高的空間分辨率，在實(shí)空間（Real space，指晶體中真實(shí)存在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間）中觀(guān)察可以發(fā)生反應(yīng)的分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)研究還是業(yè)內(nèi)的“冷板凳”，直到研究成果刊登發(fā)表并得到同行認(rèn)可，魏飛團(tuán)隊(duì)在這條路上已走了六年。
2018年夏天的一個(gè)傍晚，像往常一樣，團(tuán)隊(duì)科研骨干陳曉匆忙吃過(guò)幾口飯后快步流星地走回系館，繼續(xù)在電鏡室里潛心試驗(yàn)。她用工業(yè)中已失去活性的分子篩（一種具有篩選分子作用的多孔材料）反復(fù)練習(xí)，希望能在電鏡的幫助下拍出多孔材料的結(jié)構(gòu)。
9個(gè)月前新到手的電鏡投入使用后，陳曉就一直專(zhuān)注于“看”多孔材料。要想真正“看到”單個(gè)分子，特別是對(duì)電子束極其敏感、“不耐輻照，一打就爛”的有機(jī)小分子，先進(jìn)的成像技術(shù)必不可少。就在那幾年，積分差分相位襯度掃描透射電子顯微（iDPC-STEM）成像模式的出現(xiàn)恰當(dāng)其時(shí)。
陳曉迅速上手學(xué)習(xí)這一先進(jìn)技術(shù)，在最短的時(shí)間內(nèi)熟練操作方法。她日復(fù)一日地圍繞雙球差校正透射電鏡，調(diào)整儀器狀態(tài)、摸索拍攝條件、改進(jìn)樣品合成條件，力爭(zhēng)早日用這臺(tái)“高級(jí)放大鏡”成功“捕捉”到多孔材料結(jié)構(gòu)。
魏飛和陳曉（左一）在實(shí)驗(yàn)室交流，同學(xué)們?cè)谝慌哉J(rèn)真學(xué)習(xí)
當(dāng)晚七點(diǎn)多，陳曉透過(guò)電鏡看到了不一樣的東西?！拔野讯嗫撞牧系慕Y(jié)構(gòu)拍出來(lái)啦！”按捺不住心中的激動(dòng)，她迫不及待地把拍出的結(jié)果分享給導(dǎo)師魏飛。
在多孔材料領(lǐng)域耕耘數(shù)十年的魏飛看到照片，立刻意識(shí)到孔道里“別有洞天”，圖像中孔道里的東西正是工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物。他馬上從辦公室跑到電鏡室，對(duì)陳曉說(shuō)：“你看到的這個(gè)，是我們的分子篩失活后堵在分子篩孔道中的烴池??！”
此前，陳曉的研究領(lǐng)域集中于納米材料的電鏡觀(guān)察，導(dǎo)師嘴里“被分子限域、催化劑和客體小分子的主客體相互作用”等內(nèi)容，對(duì)于多孔材料領(lǐng)域的“外行”陳曉而言，“像天書(shū)一樣”。
“我知道是時(shí)候該開(kāi)始學(xué)習(xí)一個(gè)新的領(lǐng)域了?！标悤哉f(shuō)。在魏飛的指引下，她對(duì)多孔材料產(chǎn)生了濃厚興趣，并將之確立為進(jìn)一步研究的方向。
建立一個(gè)“納米級(jí)羅盤(pán)”
在拍到分子篩“骨架”的基礎(chǔ)上，課題組開(kāi)始嘗試通過(guò)更多的精心設(shè)計(jì)進(jìn)一步探索分子篩內(nèi)分子的行為細(xì)節(jié)。他們將孔道清理干凈，把已知的PX分子（對(duì)二甲苯）送入孔道，觀(guān)測(cè)在分子篩內(nèi)它會(huì)有怎樣的奇特表現(xiàn)。
這一次，魏飛團(tuán)隊(duì)透過(guò)電鏡看到了意想不到的結(jié)果——在分子篩孔道里，小分子的一個(gè)個(gè)原子、苯環(huán)的正六邊形結(jié)構(gòu)竟然被清晰地呈現(xiàn)了出來(lái)。
“以前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，PX在分子篩里是‘亂轉(zhuǎn)’的。但我們看到，PX在分子篩里沒(méi)有‘亂轉(zhuǎn)’，也不是卡在那兒，而是像指針一樣有四個(gè)指向；最神奇的是，那幾十個(gè)PX分子是整齊排成一列的，就連扭動(dòng)也是同步的?！敝v到這個(gè)神奇的發(fā)現(xiàn)，魏飛的眼中閃著光。
魏飛團(tuán)隊(duì)將一個(gè)垂直的PX分子引入ZSM-5分子篩骨架通道中，建立起一個(gè)“納米級(jí)羅盤(pán)”，單個(gè)PX分子則成為羅盤(pán)的“旋轉(zhuǎn)指針”。得益于分子結(jié)構(gòu)中形狀為平面正六邊形的苯環(huán)，單個(gè)PX分子“指針”就可以通過(guò)正六邊形的位置變動(dòng)將旋轉(zhuǎn)取向精確地反映出來(lái)。有了清晰可見(jiàn)的“指針”，孔道內(nèi)部的分子和骨架之間的相互作用就一目了然。
識(shí)別不同孔道內(nèi)PX分子的不同取向
在這個(gè)“納米級(jí)羅盤(pán)”的幫助下，團(tuán)隊(duì)利用iDPC-STEM成像技術(shù)，對(duì)分子取向進(jìn)行了高分辨率成像，并通過(guò)取向直接識(shí)別出主體與客體間的范德華相互作用。他們還對(duì)ZSM-5分子篩骨架開(kāi)展了原子級(jí)解析，從而揭示出了小分子是如何被“囚禁”在亞納米尺寸的孔道中。在經(jīng)過(guò)大量計(jì)算和模擬后，他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這些相互作用在空間和時(shí)間維度上都與通道的幾何形狀有關(guān)。
實(shí)時(shí)探測(cè)PX方向隨孔道幾何形狀的變化
這一“看見(jiàn)”的研究成果意義重大：它不僅提供了一種直觀(guān)、靈敏的手段在分子水平上研究多孔材料中的主客體范德華相互作用，更推動(dòng)了電子顯微鏡學(xué)在單分子成像上的進(jìn)一步應(yīng)用。而單個(gè)小分子成像一直是納米技術(shù)和分子科學(xué)的一個(gè)里程碑。
“透射電鏡像一雙特別的眼睛，能夠帶著大家去探索奇妙的微觀(guān)世界，而我們?cè)?021年的研究成果足以證實(shí)我們有能力為大家呈現(xiàn)微觀(guān)世界中分子層面更多有趣的現(xiàn)象。”魏飛經(jīng)常對(duì)他的學(xué)生如是說(shuō)。
逆向操作，助力“雙碳”目標(biāo)
如今，在“雙碳”目標(biāo)下，探求更高效的綠色低碳技術(shù)是化學(xué)工業(yè)界的“燃眉之急”。用分子篩破解能源利用和能量轉(zhuǎn)化的低效困境，也是魏飛團(tuán)隊(duì)一直在探索的重要領(lǐng)域。
消耗化石能源、產(chǎn)生二氧化碳，釋放出的大量能量為社會(huì)生產(chǎn)所用——這是人類(lèi)接受自然界能源饋贈(zèng)的主要方式。“在化學(xué)轉(zhuǎn)化里，什么東西效率高？你會(huì)發(fā)現(xiàn)生物體很老練，它可以自組裝、自?xún)艋?，還能將二氧化碳吸收形成碳?xì)浠衔铮罱K轉(zhuǎn)化為能量為己所用。”魏飛時(shí)常驚嘆于生物體精妙絕倫的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理。
“在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，是精準(zhǔn)控制住碳碳鍵和碳?xì)滏I的高效轉(zhuǎn)化?！狈肿雍Y的作用就在于此。魏飛團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)特定的分子篩催化劑來(lái)控制分子的結(jié)構(gòu)，使得二氧化碳和氫氣在反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)80%以上的航煤烴基選擇性，從而得到目前世界航空運(yùn)輸業(yè)公認(rèn)的清潔液體烴類(lèi)燃料——綠色航煤，這樣就能像“老練的生物體”一樣，“在能耗不高的條件下儲(chǔ)住氫能”。
將傳統(tǒng)概念里的“排放物”二氧化碳重新轉(zhuǎn)化為能源來(lái)源碳?xì)浠衔铮@樣的逆向操作既可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的資源化利用，又能有效緩解溫室效應(yīng)，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。分子篩催化劑的出現(xiàn)為二氧化碳制綠色航煤從概念到產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
而團(tuán)隊(duì)關(guān)于“看見(jiàn)”的研究成果，也為多孔材料在化石能源低碳利用、環(huán)保潔凈技術(shù)、生命體特征等課題的深入探索提供了重要支撐。
魏飛課題組成員
“我們的研究只是剛剛開(kāi)了個(gè)頭兒，就像盲人摸象，只是摸到一個(gè)區(qū)域而已?！庇昧辍懊背鲆粭l“象腿”，對(duì)于魏飛和他的團(tuán)隊(duì)而言還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。“在大家都認(rèn)為可能是黑色區(qū)域里面，我們看到了一座白色的小島?！蔽猴w說(shuō)，“然后要鋪出一條通往小島的路，讓大家認(rèn)識(shí)到這里有路可行，這才是科學(xué)研究的意義。”
（清華新聞網(wǎng)11月14日電）
編輯：田姬熔 李華山
審核：郭玲
