●記者 田姬熔 實習記者 崔現(xiàn)芳
魏飛
2021年4月22日，魏飛團隊的研究成果——利用單分子成像技術探測到分子篩孔道內范德華相互作用，刊登于《Nature》雜志，并入選2021年度“全國高校十大科技進展”。
2022年7月13日，團隊更進一步的研究成果以“電子顯微鏡對分子篩限域單分子的原子級成像”為題，再次登上《Nature》雜志。
魏飛，清華大學化學工程系教授，曾主持設計30余臺多相反應器投入商業(yè)運行，研究成果獲國家科技進步二等獎（2002年、2008年），發(fā)表論文600余篇，其中多篇在Science、Nature等頂級刊物發(fā)表……
在魏飛的日常工作中，與工業(yè)界頻繁的互動占據(jù)了他幾乎一半的時間——不斷有大型企業(yè)負責人帶著發(fā)展中的問題來訪，試圖從學術界尋求破題之策。
這是一個窗口，魏飛由此體會到現(xiàn)代化工企業(yè)的痛點和難點。為此，他帶領團隊聚力攻關，突破了一批“卡脖子”難題，自覺承擔起以科技創(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驗室
“我把多孔材料的結構拍出來啦”
用更精密確切的手段和方法觀察原子尺度的微觀世界，“這種對于物質結構的深入分析，是我們認識這個世界的最基本方式。”魏飛說。
九年前，魏飛團隊選擇了一條關于“看見”的研究之路：在分子篩中利用相位襯度成像技術在非冷凍條件下，探索以更高的空間分辨率，在實空間（Real space，指晶體中真實存在的內部結構空間）中觀察可以發(fā)生反應的分子的運動狀態(tài)。當時，這項研究還是業(yè)內的“冷板凳”，直到研究成果刊登發(fā)表并得到同行認可，魏飛團隊在這條路上已走了六年。
2018年夏天的一個傍晚，像往常一樣，團隊科研骨干陳曉匆忙吃過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。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）反復練習，希望能在電鏡的幫助下拍出多孔材料的結構。
9個月前新到手的電鏡投入使用后，陳曉就一直專注于“看”多孔材料。要想真正“看到”單個分子，特別是對電子束極其敏感、“不耐輻照，一打就爛”的有機小分子，先進的成像技術必不可少。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)恰當其時。
陳曉迅速上手學習這一先進技術，在最短的時間內熟練操作方法。她日復一日地圍繞雙球差校正透射電鏡，調整儀器狀態(tài)、摸索拍攝條件、改進樣品合成條件，力爭早日用這臺“高級放大鏡”成功“捕捉”到多孔材料結構。
魏飛和陳曉（左一）在實驗室交流，同學們在一旁認真學習
當晚七點多，陳曉透過電鏡看到了不一樣的東西。“我把多孔材料的結構拍出來啦！”按捺不住心中的激動，她迫不及待地把拍出的結果分享給導師魏飛。
在多孔材料領域耕耘數(shù)十年的魏飛看到照片，立刻意識到孔道里“別有洞天”，圖像中孔道里的東西正是工業(yè)生產(chǎn)中化學反應的最終產(chǎn)物。他馬上從辦公室跑到電鏡室，對陳曉說：“你看到的這個，是我們的分子篩失活后堵在分子篩孔道中的烴池啊！”
此前，陳曉的研究領域集中于納米材料的電鏡觀察，導師嘴里“被分子限域、催化劑和客體小分子的主客體相互作用”等內容，對于多孔材料領域的“外行”陳曉而言，“像天書一樣”。
“我知道是時候該開始學習一個新的領域了。”陳曉說。在魏飛的指引下，她對多孔材料產(chǎn)生了濃厚興趣，并將之確立為進一步研究的方向。
建立一個“納米級羅盤”
在拍到分子篩“骨架”的基礎上，課題組開始嘗試通過更多的精心設計進一步探索分子篩內分子的行為細節(jié)。他們將孔道清理干凈，把已知的PX分子（對二甲苯）送入孔道，觀測在分子篩內它會有怎樣的奇特表現(xiàn)。
這一次，魏飛團隊透過電鏡看到了意想不到的結果——在分子篩孔道里，小分子的一個個原子、苯環(huán)的正六邊形結構竟然被清晰地呈現(xiàn)了出來。
“以前業(yè)內普遍認為，PX在分子篩里是‘亂轉’的。但我們看到，PX在分子篩里沒有‘亂轉’，也不是卡在那兒，而是像指針一樣有四個指向；最神奇的是，那幾十個PX分子是整齊排成一列的，就連扭動也是同步的。”講到這個神奇的發(fā)現(xiàn)，魏飛的眼中閃著光。
魏飛團隊將一個垂直的PX分子引入ZSM-5分子篩骨架通道中，建立起一個“納米級羅盤”，單個PX分子則成為羅盤的“旋轉指針”。得益于分子結構中形狀為平面正六邊形的苯環(huán)，單個PX分子“指針”就可以通過正六邊形的位置變動將旋轉取向精確地反映出來。有了清晰可見的“指針”，孔道內部的分子和骨架之間的相互作用就一目了然。
識別不同孔道內PX分子的不同取向
在這個“納米級羅盤”的幫助下，團隊利用iDPC-STEM成像技術，對分子取向進行了高分辨率成像，并通過取向直接識別出主體與客體間的范德華相互作用。他們還對ZSM-5分子篩骨架開展了原子級解析，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)過大量計算和模擬后，他們進一步發(fā)現(xiàn)，這些相互作用在空間和時間維度上都與通道的幾何形狀有關。
實時探測PX方向隨孔道幾何形狀的變化
這一“看見”的研究成果意義重大：它不僅提供了一種直觀、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，更推動了電子顯微鏡學在單分子成像上的進一步應用。而單個小分子成像一直是納米技術和分子科學的一個里程碑。
“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世界，而我們在2021年的研究成果足以證實我們有能力為大家呈現(xiàn)微觀世界中分子層面更多有趣的現(xiàn)象。”魏飛經(jīng)常對他的學生如是說。
逆向操作，助力“雙碳”目標
如今，在“雙碳”目標下，探求更高效的綠色低碳技術是化學工業(yè)界的“燃眉之急”。用分子篩破解能源利用和能量轉化的低效困境，也是魏飛團隊一直在探索的重要領域。
消耗化石能源、產(chǎn)生二氧化碳，釋放出的大量能量為社會生產(chǎn)所用——這是人類接受自然界能源饋贈的主要方式。“在化學轉化里，什么東西效率高？你會發(fā)現(xiàn)生物體很老練，它可以自組裝、自凈化，還能將二氧化碳吸收形成碳氫化合物，最終轉化為能量為己所用。”魏飛時常驚嘆于生物體精妙絕倫的能量轉化機理。
“在能量轉化過程中，實現(xiàn)能量高效轉化的關鍵，是精準控制住碳碳鍵和碳氫鍵的高效轉化。”分子篩的作用就在于此。魏飛團隊通過設計特定的分子篩催化劑來控制分子的結構，使得二氧化碳和氫氣在反應中實現(xiàn)80%以上的航煤烴基選擇性，從而得到目前世界航空運輸業(yè)公認的清潔液體烴類燃料——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住氫能”。
將傳統(tǒng)概念里的“排放物”二氧化碳重新轉化為能源來源碳氫化合物，這樣的逆向操作既可以實現(xiàn)二氧化碳的資源化利用，又能有效緩解溫室效應，促進“雙碳”目標的實現(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)化奠定了堅實的理論基礎。
而團隊關于“看見”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、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了個頭兒，就像盲人摸象，只是摸到一個區(qū)域而已。”用六年“摸”出一條“象腿”，對于魏飛和他的團隊而言還遠遠不夠。“在大家都認為可能是黑色區(qū)域里面，我們看到了一座白色的小島。”魏飛說，“然后要鋪出一條通往小島的路，讓大家認識到這里有路可行，這才是科學研究的意義。”
（清華新聞網(wǎng)11月14日電）
編輯：田姬熔 李華山
審核：郭玲
