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国内做博后,2年发表3篇Science/Nature正刊,都是通讯作者!

2022-11-21
19998

陈晓(Xiao Chen),在清华大学官网上,只能看到他在化工系从事博士后研究。除此以外,没有更多的信息。


毫无疑问,这个“无名小辈”,正成长为无数科研追梦人中的佼佼者!


陈晓,2012年起一直从事透射电子显微学及其在材料科学中的应用研究,深入钻研低剂量成像技术,首次在电镜中观测到多孔材料限域客体分子之后与主体骨架间的范德华相互作用,近两年科研成果3次发表在Nature和Science杂志(通讯作者),并入选2021年度“中国高等学校十大科技进展”。


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检测原子和分子之间的微观相互作用,仍然是一个挑战。


在不同规模的物理,化学和生物过程中,中性和可极化原子、分子或粒子之间的范德华相互作用无处不在。然而,这些力的直接测量通常涉及各种复杂的纳米技术,这些技术难以扩展到复杂的多原子系统研究中。纳米级通道中的主客体范德华相互作用将决定分子内限域的各种物理和化学行为,例如吸附,传输,催化和相变,通过当前方法,在单分子水平研究这些相互作用非常困难。


2021年4月21日,受到传统指南针的原理启发,清华大学魏飞教授、陈晓博士等人报道了一种单分子范德华作用指南针,可用于检测MFI型沸石骨架的直通道中主体与客体范德华的相互作用。研究人员以二甲苯分子为将旋转分子指针,引入MFI沸石的纳米级通道,将通道中原子的位置定义为方向标记,通过对指针分子的方向辨识,可以有效揭示周围原子形成的范德华作用力场。


参考文献:

Boyuan Shen et al. A single-molecule van der Waals compass. Nature 2021, 592, 541–544.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03429-y


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通过晶体结构计算得到的分子筛晶体孔尺寸通常远小于催化转化反应和分子筛分作用预计的孔尺寸。因此,人们一直猜测这种区别是因为分子筛孔结构具有柔性变形能力导致,但是关于这种分子筛孔结构变形的相关研究非常少见。分子筛的孔尺寸能够通过衍射技术探测,比如X射线衍射、电子衍射。但是分子筛的Debye-Waller效应导致难以表征分子筛的晶体结构,无法说明分子筛的缺陷结构,比如非均质效应。测试得到的平均化结果无法代表连续扭曲四面体局部形变。


因此,必须发展具有高分辨率的实验表征技术,才能解释这种超过理论孔尺寸的客体分子进入分子筛骨架结构并且导致次级晶胞局部结构改变的现象。


2022年4月28日,清华大学魏飞、张晨曦、陈晓等人通过iDPC-STEM成像技术实时原位观测ZSM-5分子筛的苯分子吸附-脱附过程,吸附分子的形貌变化、分子筛的形貌变化。


1)发现次级晶胞发生形变,然而MFI整体晶体结构并没有显著改变。

通过iDPC-STEM成像表征,原位观测ZSM-5分子筛的正弦直形通道与苯分子相互作用导致的柔性结构变化。发现随着限域在开放孔通道内的苯分子最大尺寸的方向孔的长度伸展15 %。ZSM-5的直通道发生严重的形变,因此能够保证体积比较大的分子能够在分子筛内扩散,说明分子筛通过形变实现能够吸附超过孔尺寸的有机分子。与此同时,由于分子筛MFI结构和晶体对称性,分子筛的相邻通道结构变化,因此在一定程度上弥补分子筛的稳定性,分子筛的晶体呈刚性单晶结构(变形程度低于0.5 %)。


2)提出分子筛次级晶胞柔性机理。

通过分子动力学模拟和实验观测,验证次级晶胞的柔性变化来自刚性SiO4四面体结构之间相连的柔性Si-O-Si连接结构。在苯分子的原位脱附过程,捕获苯分子数目减少导致分子筛孔结构的动态变化,Si-O-Si角度能够在135°~153°之间变化。这种现象说明,分子筛次级结构的变形现象与限域分子的形状和数量有关。


3)探究分子筛整体结构稳定性的原因。

通过MFI骨架的对称结构弥补了相邻的变形通道,保证分子筛晶体结构在整体和宏观上具有刚性,这是MFI结构分子筛具有重要应用的原因。


参考文献:

Hao Xiong et al. In situ imaging of the sorption-induced subcell topological flexibility of a rigid zeolite framework, Science 2022, 376, 491-496

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7667


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有机小分子在以分子筛为代表的多孔材料中的单分子成像与构象研究,是深入理解其相变、吸附、催化和相互作用过程的基础与关键。其中,有机小分子(吡啶,苯,噻吩等)在室温或更高温度下的原子级成像,一直是电子显微学领域的圣杯。


2021年至今,魏飞团队利用对二甲苯和苯分子与ZSM-5孔道的匹配特性,首先在室温下,巧妙地借助了两个对位甲基与多孔骨架间的受限空间势阱的构型束缚效应,率先成功研究了客体分子与主体骨架间的范德华力相互作用;在此基础上,通过高温原位实时观测苯分子与骨架结构的相互作用,揭示了苯分子与分子筛在亚纳米尺度上的拓扑柔性行为。


2022年7月13日,魏飞、陈晓助理研究员等人再次突破,借助于包含酸性位点的孔道允许吡啶分子较大机率形成平躺稳定构象的原理,制备了利于观察的高硅铝比准二维片层ZSM-5(2-3个单胞厚度),利用电子显微镜技术,首次实现了在室温下ZSM-5分子筛孔道内限域的有机小分子(吡啶、噻吩)的原子级成像,实现了分子筛孔道内单分子原子级显微成像突破。


参考文献:

Boyuan Shen et al. Atomic imaging of zeolite-confined single molecules by electron microscopy. Nature 2022, 607, 703–707.

https://www.nature.com/articles/%20s41586-022-04876-x


在获得清华大学年度优秀博士后荣誉时,陈晓曾说:做科研是一场苦行僧般的修行,不仅要耐得住寂寞,还要学会坦然接受别人的冷眼与质疑。她一直记得合作导师魏飞教授在自己刚进站时的教导:不要跟在别人后边做研究,那样的话永远不会有创新,做的永远不会是自己的东西,只有坚信自己的方向是超越前人的,并为之付出比别人多十倍甚至百倍的努力,才能做出“顶天立地”的研究成果。



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