●记者 田姬熔 实习记者 崔现芳
魏飞
2021年4月22日，魏飞团队的研究成果——利用单分子成像技术探测到分子筛孔道内范德华相互作用，刊登于《Nature》杂志，并入选2021年度“全国高校十大科技进展”。
2022年7月13日，团队更进一步的研究成果以“电子显微镜对分子筛限域单分子的原子级成像”为题，再次登上《Nature》杂志。
魏飞，清华大学化学工程系教授，曾主持设计30余台多相反应器投入商业运行，研究成果获国家科技进步二等奖（2002年、2008年），发表论文600余篇，其中多篇在Science、Nature等顶级刊物发表……
在魏飞的日常工作中，与工业界频繁的互动占据了他几乎一半的时间——不断有大型企业负责人带着发展中的问题来访，试图从学术界寻求破题之策。
这是一个窗口，魏飞由此体会到现代化工企业的痛点和难点。为此，他带领团队聚力攻关，突破了一批“卡脖子”难题，自觉承担起以科技创新助力企业绿色发展的使命。
魏飞和课题组师生在实验室
“我把多孔材料的结构拍出来啦”
用更精密确切的手段和方法观察原子尺度的微观世界，“这种对于物质结构的深入分析，是我们认识这个世界的最基本方式。”魏飞说。
九年前，魏飞团队选择了一条关于“看见”的研究之路：在分子筛中利用相位衬度成像技术在非冷冻条件下，探索以更高的空间分辨率，在实空间（Real space，指晶体中真实存在的内部结构空间）中观察可以发生反应的分子的运动状态。当时，这项研究还是业内的“冷板凳”，直到研究成果刊登发表并得到同行认可，魏飞团队在这条路上已走了六年。
2018年夏天的一个傍晚，像往常一样，团队科研骨干陈晓匆忙吃过几口饭后快步流星地走回系馆，继续在电镜室里潜心试验。她用工业中已失去活性的分子筛（一种具有筛选分子作用的多孔材料）反复练习，希望能在电镜的帮助下拍出多孔材料的结构。
9个月前新到手的电镜投入使用后，陈晓就一直专注于“看”多孔材料。要想真正“看到”单个分子，特别是对电子束极其敏感、“不耐辐照，一打就烂”的有机小分子，先进的成像技术必不可少。就在那几年，积分差分相位衬度扫描透射电子显微（iDPC-STEM）成像模式的出现恰当其时。
陈晓迅速上手学习这一先进技术，在最短的时间内熟练操作方法。她日复一日地围绕双球差校正透射电镜，调整仪器状态、摸索拍摄条件、改进样品合成条件，力争早日用这台“高级放大镜”成功“捕捉”到多孔材料结构。
魏飞和陈晓（左一）在实验室交流，同学们在一旁认真学习
当晚七点多，陈晓透过电镜看到了不一样的东西。“我把多孔材料的结构拍出来啦！”按捺不住心中的激动，她迫不及待地把拍出的结果分享给导师魏飞。
在多孔材料领域耕耘数十年的魏飞看到照片，立刻意识到孔道里“别有洞天”，图像中孔道里的东西正是工业生产中化学反应的最终产物。他马上从办公室跑到电镜室，对陈晓说：“你看到的这个，是我们的分子筛失活后堵在分子筛孔道中的烃池啊！”
此前，陈晓的研究领域集中于纳米材料的电镜观察，导师嘴里“被分子限域、催化剂和客体小分子的主客体相互作用”等内容，对于多孔材料领域的“外行”陈晓而言，“像天书一样”。
“我知道是时候该开始学习一个新的领域了。”陈晓说。在魏飞的指引下，她对多孔材料产生了浓厚兴趣，并将之确立为进一步研究的方向。
建立一个“纳米级罗盘”
在拍到分子筛“骨架”的基础上，课题组开始尝试通过更多的精心设计进一步探索分子筛内分子的行为细节。他们将孔道清理干净，把已知的PX分子（对二甲苯）送入孔道，观测在分子筛内它会有怎样的奇特表现。
这一次，魏飞团队透过电镜看到了意想不到的结果——在分子筛孔道里，小分子的一个个原子、苯环的正六边形结构竟然被清晰地呈现了出来。
“以前业内普遍认为，PX在分子筛里是‘乱转’的。但我们看到，PX在分子筛里没有‘乱转’，也不是卡在那儿，而是像指针一样有四个指向；最神奇的是，那几十个PX分子是整齐排成一列的，就连扭动也是同步的。”讲到这个神奇的发现，魏飞的眼中闪着光。
魏飞团队将一个垂直的PX分子引入ZSM-5分子筛骨架通道中，建立起一个“纳米级罗盘”，单个PX分子则成为罗盘的“旋转指针”。得益于分子结构中形状为平面正六边形的苯环，单个PX分子“指针”就可以通过正六边形的位置变动将旋转取向精确地反映出来。有了清晰可见的“指针”，孔道内部的分子和骨架之间的相互作用就一目了然。
识别不同孔道内PX分子的不同取向
在这个“纳米级罗盘”的帮助下，团队利用iDPC-STEM成像技术，对分子取向进行了高分辨率成像，并通过取向直接识别出主体与客体间的范德华相互作用。他们还对ZSM-5分子筛骨架开展了原子级解析，从而揭示出了小分子是如何被“囚禁”在亚纳米尺寸的孔道中。在经过大量计算和模拟后，他们进一步发现，这些相互作用在空间和时间维度上都与通道的几何形状有关。
实时探测PX方向随孔道几何形状的变化
这一“看见”的研究成果意义重大：它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，更推动了电子显微镜学在单分子成像上的进一步应用。而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。
“透射电镜像一双特别的眼睛，能够带着大家去探索奇妙的微观世界，而我们在2021年的研究成果足以证实我们有能力为大家呈现微观世界中分子层面更多有趣的现象。”魏飞经常对他的学生如是说。
逆向操作，助力“双碳”目标
如今，在“双碳”目标下，探求更高效的绿色低碳技术是化学工业界的“燃眉之急”。用分子筛破解能源利用和能量转化的低效困境，也是魏飞团队一直在探索的重要领域。
消耗化石能源、产生二氧化碳，释放出的大量能量为社会生产所用——这是人类接受自然界能源馈赠的主要方式。“在化学转化里，什么东西效率高？你会发现生物体很老练，它可以自组装、自净化，还能将二氧化碳吸收形成碳氢化合物，最终转化为能量为己所用。”魏飞时常惊叹于生物体精妙绝伦的能量转化机理。
“在能量转化过程中，实现能量高效转化的关键，是精准控制住碳碳键和碳氢键的高效转化。”分子筛的作用就在于此。魏飞团队通过设计特定的分子筛催化剂来控制分子的结构，使得二氧化碳和氢气在反应中实现80%以上的航煤烃基选择性，从而得到目前世界航空运输业公认的清洁液体烃类燃料——绿色航煤，这样就能像“老练的生物体”一样，“在能耗不高的条件下储住氢能”。
将传统概念里的“排放物”二氧化碳重新转化为能源来源碳氢化合物，这样的逆向操作既可以实现二氧化碳的资源化利用，又能有效缓解温室效应，促进“双碳”目标的实现。分子筛催化剂的出现为二氧化碳制绿色航煤从概念到产业化奠定了坚实的理论基础。
而团队关于“看见”的研究成果，也为多孔材料在化石能源低碳利用、环保洁净技术、生命体特征等课题的深入探索提供了重要支撑。
魏飞课题组成员
“我们的研究只是刚刚开了个头儿，就像盲人摸象，只是摸到一个区域而已。”用六年“摸”出一条“象腿”，对于魏飞和他的团队而言还远远不够。“在大家都认为可能是黑色区域里面，我们看到了一座白色的小岛。”魏飞说，“然后要铺出一条通往小岛的路，让大家认识到这里有路可行，这才是科学研究的意义。”
（清华新闻网11月14日电）
编辑：田姬熔 李华山
审核：郭玲
