指针

沸石分子筛是一类具有有序微孔结构的骨架材料。内部的孔道系统对于尺寸匹配的小分子有着很强的限域效应，主要是来自主客体之间的范德华相互作用。这种范德华相互作用是分子筛内一系列分子吸附、传递、反应和相变行为的核心。因此，深刻理解主客体相互作用对于分子筛中的气体分离、异相催化和储能等应用有着重要意义。单分子的直接成像能够从分子水平研究各种各样的分子间相互作用。对于分子筛三维骨架材料，每个孔道中形成的范德华力场有差异，为了探测每个孔道中主客体相互作用的差异，需要利用球差校正的电子显微镜来实现足够的空间分辨率。清华大学魏飞教授团队利用对二甲苯（PX）分子作为ZSM-5分子筛孔道内的指针分子来探测每一个孔道内的范德华相互作用。PX分子中的两个甲基使得苯环在孔道中立起来，苯环平面形成可以自由旋转且有明确取向的指针。类比罗盘的指针，PX单分子指针的取向能够反映出孔道内部的范德华相互作用。利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）实现了对准二维ZSM-5片层（4-6纳米厚度）和孔道内部单个PX分子的直接成像。这一技术的核心是iDPC-STEM可以实现低电子剂量下小有机分子高精度成像，结合化学蚀刻技术制备表面原子级平整且取向清晰的准二维ZSM-5片层并填充单个PX分子，使ZSM-5分子筛骨架可以被原子级解析，而PX分子内苯环的取向也可以被清晰地显示。图1 识别不同孔道内PX分子的不同取向实验发现，在不同孔道中PX分子的取向不同，并且与孔道的几何形状直接相关，如图1所示。通过图像和计算的对比，证实了不同的PX分子取向是由孔道几何形状变化造成的，因此分子取向的成像能够反映孔道内范德华相互作用的变化。同时，还在连续的图像拍摄中观察到了分子取向随时间的变化，变化规律与孔道几何形状随时间的变化相一致，如图2所示。该方法不仅能够给出主客体范德华相互作用在二维ZSM-5平面的空间分布，也可以给出这种相互作用在单个孔道内的实时变化。图2 实时探测PX方向随孔道几何形状的变化该研究不仅提供了一种直观、灵敏的手段在分子水平上研究多孔材料中的主客体范德华相互作用，还推动了电子显微学在单分子成像上的进一步应用。单个小分子成像一直是纳米技术和分子科学的一个里程碑，特别是对于多孔材料中的有机小分子，可以将成像分辨率推进到埃级精度是对电镜技术的巨大挑战。这一技术可以对其它的有机小分子，例如芳香族分子的同系物在尺寸匹配的孔道中被限域和成像。进一步，可以通过直接成像来研究一系列有机-无机体系中的主客体相互作用，例如在分子筛应用中同样重要的酸碱和配位相互作用。可以期待，成像技术的进步将促进对客体分子物理和化学性质的进一步研究，并为多种单分子行为带来全新的理解。论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03429-y

利用分子指针来探测主客体相互作用是一种研究复杂环境中相互作用的重要方法。例如在分子筛骨架中，主客体相互作用对于分子吸附、传递、反应和相变有着重要意义，深刻影响着其在气体分离、异相催化和储能等领域的应用。虽然单分子的构象可以帮助我们从分子水平理解主客体间的相互作用，但是想要超高分辨率下准确表征单分子构象并不容易。近几年来，球差校正电镜和多种低电子剂量成像模式的快速发展为我们提供了在实空间观察单分子的可能。图1 识别不同孔道内PX分子的不同取向FLOTU魏飞教授团队利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术（iDPC-STEM）实现了对单个对二甲苯（PX）分子在二维ZSM-5分子筛内的直接成像。这里，PX分子可以作为指针分子来探测每一个孔道内的范德华相互作用。PX分子中的两个甲基使得苯环在孔道中立起来，苯环平面就形成了一个可以旋转且有明确取向的单分子指针。类比罗盘的指针，PX单分子指针的取向能够给出反映出孔道内部的范德华相互作用。基于对分子取向的成像和对二维ZSM-5的原子级解析，可以揭示小分子是如何被限域在亚纳米尺寸的孔道中。在不同孔道中，成像得到的PX分子的取向是明显不同的，并且通过计算和模拟可以发现PX分子取向与孔道的几何形状直接相关 （如图1所示）。因此分子取向的成像是能够反映孔道几何形状到的变化和孔道内范德华相互作用的变化。同时，在连续的图像拍摄中，分子取向随时间的变化也可以被实时观察到，其变化规律仍然与孔道几何形状密切相关（如图2所示）。这项工作不仅提供了一种直观、灵敏的手段在分子水平上研究多孔材料中的主客体范德华相互作用，并且推动了电子显微镜学在单分子成像上的进一步应用。图像不仅能够给出主客体范德华相互作用的在不同孔道中的分布，同时可以给出单孔道内相互作用的实时变化。单个小分子成像一直是纳米技术和分子科学的一个里程碑，特别地，将有机小分子的成像分辨率推进到埃级精度是对电镜技术的巨大挑战。iDPC-STEM技术可以帮助实现对其他小分子和多孔材料体系的直接成像和结构分析，并研究它们之间的复杂主客体相互作用，例如酸碱和配位相互作用。可以期待，这种成像技术的进步将促进对客体分子物理和化学性质的进一步研究，并为多种单分子行为带来全新的理解。图2 实时探测PX方向随孔道几何形状的变化相关工作以“A single-molecule van der Waals compass”为题发表在4月21日的《Nature》期刊上。文章第一作者为清华大学申博渊博士，文章通讯作者为清华大学陈晓博士和魏飞教授。参与此项研究还有王挥遒、熊昊、E. G. T. Bosch、I.Lazić、蔡达理博士、骞伟中教授、金士锋研究员、刘教授和韩宇教授。此外，魏飞教授团队首次以实验形式测试了厘米级长度单根超长碳纳米管的耐疲劳性，相关成果以《超耐久性的超长碳纳米管》Super-durable Ultralong Carbon Nanotubes为题，于2020年8月28日在线发表在Science上。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03429-y

酸碱浓度计的分类：应用场合分类、仪器精度、读数指示、元器件类型分类；以及什么是实验室pH计、什么是工业pH计。　　⑴根据应用场合分类：可分为笔式PH计、便携式PH计、实验室PH计和工业PH计等。笔式pH计主要用于代替pH试纸的功能，具有精度低、使用方便的特点。便携式pH计主要用于现场和野外测方式，要求较高的精度和完善的功能。　　⑵据仪器精度分类：可分为0.2级、0.1级、0.02级、0.01级和0.001级，数字越小，精度越高。　　⑶根据读数指示分类：可分为指针式和数字显示式二种。指针式pH计现在已很少使用，但指针式仪表能够显示数据的连续变化过程，因此在滴定分析中还有使用。　　⑷根据元器件类型分类：可分为晶体管式、集成电路式和单片机微电脑式，现在更多的是应用微电脑芯片，大大减少了仪器体积和单机成本；但芯片的开发成本很贵。实验室pH计:实验室pH计是一种台式高精度分析仪表，要求精度高、功能全，包括打印输出、数据处理等等。工业pH计:工业pH计是用于工业流程的连续测量，不仅要有测量显示功能，还要有报警和控制功能，以及安装、清洗、抗干扰等等问题的考虑。