探寻单分子的秘密

分子间的能量传递，是维系生命及其演化的重要方式。日前，中科大董振超教授研究小组在世界上首次为分子间能量传递“拍照”，成果3月31日刊发在国际权威学术期刊《自然》上，引发学术界和社会的广泛关注。 《自然》审稿人认为，这项工作对于许多研究领域——从分子间相互作用的基础研究到捕光体系和量子光学等实际应用，都具有广泛影响和重要意义。

为分子间能量传递“拍照”

分子是什么？学过物理、化学的人都知道，分子是构成物质的一种基本粒子。同时，分子也是物质中能够独立存在、相对稳定并保持物理、化学特性的最小单元。以水分子为例，将水不断分离下去，直至不破坏水的特性，这时出现的最小单元，就是由两个氢原子和一个氧原子构成的一个水分子。单个分子非常小，一般在1纳米左右或更小，相当于人头发丝直径的六万分之一。

早在1811年，意大利化学家阿伏伽德罗就提出分子概念，他认为：“原子是参加化学反应的最小质点，分子则是在游离状态下单质或化合物能够独立存在的最小质点。”在分子身上，有很多奇妙的特性，比如分子之间有间隔，50毫升酒精与50毫升水混合之后，体积小于100毫升。而且，分子还在永不停息地做无规则运动，温度越高，分子扩散越快。

自然界中，光合作用是一种很常见的能量转换过程。在这一过程中，含有叶绿体的绿色植物、动物和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应，利用光合色素，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气。同时，光合作用也是将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。然而，光合作用中能量到底是怎么高效传递的，仍然存在许多谜团。从分子水平了解分子间能量转移的形式和特征，对了解自然界中光合作用的高效捕光机制具有非常重要的意义。如果能够在分子水平掌握分子能量传递的秘密，就有希望根据相关规律研制出高效率的人工光合系统。

分子间的能量传递，是否像足球队员传球那样，由接受能量的分子传送给相邻的另一个分子，然后依次传递下去？董振超介绍，真实的分子间能量传递并非这么简单，最新实验表明，一份能量的注入，可能会引起相邻分子间有一定规律的联动。最近，他们利用精心设计的局域电场增强的亚纳米空间分辨电致发光技术，在世界上首次实现分子间相干偶极耦合的成像观察，即在单分子水平上对分子间能量传递特征成功“拍照”。在此基础上，他们更深入地对多分子纠缠体系的能量激发状态进行研究，设计出实现更亮、更纯光源的方案。

过去，由于传统光学成像技术空间分辨精度的局限，科学界对分子间的能量传递一直缺乏直观认识。董振超小组这项刊登于《自然》的顶级研究成果，为深入理解分子间能量传递提供了前所未有的空间信息，也为研制高效的捕光结构和量子纠缠光源提供了新的思路。 “这项工作开辟了研究分子间相互作用的新途径。”《自然》审稿人如此称赞道。

光学成像“挺进”分子内部

随着董振超研究小组这篇高水平论文的发表，他们鼎鼎有名的上篇《自然》论文再次被人们提及。 3年前，董振超研究小组通过革新拉曼成像技术，使其成像的空间分辨率达到前所未有的0.5纳米，从而使得人类能够识别分子内部的结构和分子表面的吸附构型。 “这一分辨率纪录，至今没有被打破。”董振超透露，那篇《自然》论文至今已被引用300多次。

光是每个人见得最多的东西，自古以来就被认为是宇宙最原始的事物之一。但人的肉眼仅能分辨0.1毫米尺度的物体，再小就要借助工具才能看清。因此光学成像技术，在人类探索未知世界的过程中，一直扮演着至关重要的角色。大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙，小到光学显微镜探察细微的纳米世界，如何看得更远、看得更细、看得更清楚，始终是人类不断追求的目标。分子一般在1纳米左右，不仅肉眼看不到，连光学显微镜都无能为力。如何在纳米甚至亚纳米尺度上实现分子成像，并能识别分子的化学信息，是国际科学界持续关注的热点。

董振超介绍，印度科学家拉曼于1928年发现了光子被物质分子散射后能量发生变化的光散射现象，并在两年后因此贡献获得了诺贝尔物理学奖，是亚洲第一位获此殊荣的科学家。拉曼散射中光子的能量变化，通常起源于分子振动能量与入射光子能量的叠加，因此拉曼散射光中包含了丰富的分子振动结构的信息。由于不同分子的拉曼光谱谱形特征各不相同，因此可作为分子识别的“指纹”光谱，就像人的指纹可以用来识别人的身份一样。如今，拉曼光谱已经成为物理、化学、材料、生物等领域研究分子结构的重要手段。

在这项研究中，董振超小组将高分辨扫描隧道显微技术与高灵敏光学检测技术融为一体，并通过巧妙调控局域光场共振模式，最终实现了世界最高分辨率单分子拉曼成像，成果入选当年“中国十大科技进展”。 《自然》三位审稿人盛赞，这项研究“打破了所有的纪录，是该领域创建以来的最大进展”。去年，该小组在高空间分辨的化学识别领域再获重要进展，在国际上首次实现距离约0.3纳米紧邻不同分子的“身份”识别。董振超表示，这些研究成果，未来可能在表面反应催化、分子纳米器件、甚至包括DNA测序在内的生物分子高分辨识别等领域得到广泛应用，极具科学意义和实用价值。

在兴趣坚守中快乐前行

“我们比较幸运，最终做出来了！”谈起在单分子研究领取最近所取得的成果，董振超用“幸运”两字来概括。做科研的人知道，重大科技发现的确有偶然，但更多的是必然。作为全国优秀科技工作者，董振超近年来在单分子电致发光、单分子拉曼散射、单分子能量转移等方面取得诸多成果，已发表SCI论文120余篇，并负责科技部、中科院、国家自然科学基金委多个重点项目。

谦虚、热情、快乐，这是董振超留给记者的第一印象。身为福建安溪人，一见面，他就给记者泡了一壶家乡的铁观音。 “国家给了这么好的科研条件，又可以做自己喜欢做的事，还有比这更快乐的吗？ ”董振超微笑着说，对于科学家来说，有时间、有条件、有精力、有兴趣搞科研，是最重要的。近年来，董振超一直在兴趣中坚守，在快乐中前行。从量子化学，到结构化学、固体化学、表面科学、单电子学，再到单分子光谱学研究，虽然他的研究领域不断调整，但“量子”这个概念始终是他这些研究中的关键词，而交叉研究的经历又给了他颇多启发，这才有最高分辨率单分子拉曼成像等一个又一个成果的出现。

“我们研究小组，其实人数并不多，这些成果的取得离不开学生们的辛勤付出，同时也与侯建国院士领衔的单分子科学团队的精诚合作分不开。”董振超介绍，比如最高分辨率单分子拉曼成像的成果，博士生张瑞、张尧为论文共同第一作者；为分子间能量传递“拍照”的成果，张杨、骆阳、张尧为论文共同第一作者。 “我们这个团队，有着非常好的合作氛围。侯建国院士虽然很忙，但一有空，就会召集团队成员坐在一起讨论研究结果，交流各自最新的研究动向。”董振超说，“非常难能可贵的一点，就是团队成员之间常常会有不绕弯子的思想碰撞，在热烈的讨论中加深对现象的理解，明确研究内容和目标。”

“我们将在探索中，慢慢解开单分子的秘密。”董振超表示，下一步，他们将聚焦光合作用机理、量子信息传递和纳米光电集成等领域，不断尝试和开拓，力争取得更多创新成果。（桂运安）