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POSTECH-UNIST联合研究团队首次成功观察到室温下单纳米单分子的结构动力学差异。这项新技术可以应用于未来不治之症的病因和治疗的研究。
(左)使用尖端增强纳米显微镜捕捉到的隔离分子困在金和氧化铝层之间。(右)具有不同构象的明亮甲酚蓝(BCB)分子的振动模式的可视化。
化学家们长期以来的梦想——观察单个分子的结构动力学——现在已经成为可能。1纳米大小的单分子在环境条件下以挥发态存在。大小约为100纳米的新冠病毒在空气中迅速传播，可见观察单个分子是多么困难。最近，韩国研究小组发现了在室温下观察单个分子的可靠方法，方法是用薄的绝缘层覆盖单个分子，就像毯子一样。
Kyoung-Duck Park教授和浦项理工大学物理系博士候选人Mingu Kang与蔚山科学技术院(UNIST)化学系教授Yung Doug Suh合作，首次在室温下探测到了单个单分子的构像(分子中原子的排列)，从而对单个分子的结构动力学进行了更深入的研究。它是包括人类在内的所有物质的基本单位。
由于暴露在空气中的分子会发生连续的化学反应和分子运动，因此利用被称为分子“指纹”的拉曼散射信号进行深入分析比较困难。为防止上述问题的发生，极低温(-200℃以下)和真空条件已被广泛应用于单分子研究，但在技术难度和环境条件方面存在许多局限性。
为了克服这个问题，研究小组将单个分子放在涂有一层金薄膜的基板上，并在其上覆盖一层非常薄的氧化铝(Al2O3)并紧紧地捆在一起。被困在金和氧化铝层之间的分子与周围环境隔离开来，这导致了被抑制的化学反应和分子运动。
然后通过研究小组开发的超灵敏尖端增强纳米显微镜观察固定的分子。由于锋利金属尖端的光学天线效应，使用该方法可以精确检测单个分子的微弱光学信号。通过这种方法，克服了一般光学显微镜的分辨率极限(约500 nm)，清晰地分辨出1 nm大小的单分子的构象异质性，验证了它们是垂直直立还是水平铺设。
浦项理工大学的Mingu Kang提到:“詹姆斯·韦伯太空望远镜可以观察到可观测宇宙的最远点，从而揭示宇宙的起源，而我们的单分子纳米显微镜可以观察到最小的单位，从而揭示生命的起源。这项工作可以以纳米级别的分辨率揭示蛋白质和DNA的分子构象，从而有助于确定不治之症的病因和开发治疗方法。此外，在样品上覆盖一层薄层可以很容易地在室温下甚至更高的温度下应用于单分子研究和应用，因为它的过程很简单。”
Conformational heterogeneity of molecules physisorbed on a gold surface at room temperature
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