界面复杂分子体系分子结构与动力学

 

分子水平上理解界面物理与化学问题的关键在于原位实时地精确测出界面分子结构、分子间相互作用、以及电子和能量转移动力学。不过，目前表征真实环境下界面复杂体系的手段不多。而和频光谱是能在常温常压下研究表/界面分子结构和动力学的主要技术之一。本课题组致力于发展和完善高灵敏、免标记、快速识别的和频光谱新技术，研究能源材料、生物与高分子材料等体系的界面物理与化学问题。具体研究方向有：界面能源学、生物和高分子界面物理与化学、界面分析化学、界面表征新技术。

研究方向一：界面能源学

1、界面光电转换构效关系

该研究方向主要是发展和利用飞秒时间分辨的超快光谱（和频光谱和太赫兹光谱）技术研究光催化和光电转换材料界面分子结构与动力学特性，获得材料表面与界面分子结构的形成及其如何与功能相关的本质理解，从而为新型的具有某种特性的表面或界面的设计和应用提供指导。具体而言，制备各种纳米（三维、二维、一维钙钛矿材料）界面，研究有机/无机复合纳米材料界面、电子/空穴传输层界面分子结构与界面激发态过程，提炼其影响光催化、光电化学转换效率等性能的基本规律。研究纳米光转换材料结构与其电子/空穴迁移率等效率之间的构效关系，以及电子和空穴转移界面分子结构与光转换效率之间的构效关系。

Chuanzhao Li, Jin Yang, Fuhai Su, Junjun Tan, Yi Luo, Shuji Ye*, Conformational Disorder of Organic Cations Tunes the Charge Carrier Mobility in Two-Dimensional Organic-Inorganic Perovskites. Nat. Commun. 2020,  11, 5481。

Chuanzhao Li, Renlong Zhu, Jing Lai, Junjun Tan, Yi Luo, and Shuji Ye*, Conformational Order of Alkyl Side Chain of Poly(3-alkylthiophene) Promotes Hole-Extraction Ability in Perovskite/Poly(3-alkylthiophene) Heterojunction.  J. Phys. Chem. Lett.  2021, 12, 11817–11823

2、表面等离激元增强超快光谱

发展等离激元增强的超快光谱技术，实现时间、空间等多域分辨的测量；

发展等离基元激发，特定基团探测的跨频率激发跨频域探测技术，揭示等离基元局域场如何传播以及如何增强谱学信号等机理。

3、锂离子电池界面工作机制

研究电解质溶液不同组分在电池电极上的分布与耦合行为；研究充放电条件下界面动力学过程等……

 Zhuo Wang, Junjun Tan, Zhe Yang, Yi Luo, Shuji Ye*, Observing Two-Dimensional Spontaneous Reaction between Silicon Electrode and LiPF6-Based Electrolyte in Situ and Real-Time.  J. Phys. Chem. Lett.  2022, 13, 3224–3229.

 

研究方向二：复杂生物和高分子体系的界面物理与化学

从生物和高分子界面模型体系出发，通过发展和完善具有时间、空间和能量分辨的高灵敏、免标记、快速识别的和频光谱新技术，分子水平上研究生物、高分子与其他学科交叉相关的科学问题，例如水对生物结构和功能的影响，细胞、组织及其相关生物分子特别是细胞内的DNA、蛋白质等分子结构和特性随周围环境的变化机制，界面生物分子的超快动力学特性，最终实现对真实生命体系的研究和精确测量，进而揭示生物大分子重要生理功能的物理化学机制。

 

1、蛋白质与生物膜的相互作用机理研究。

 

自然界中无论是动植物，还是人类体内，无时无刻不进行着蛋白质(多肽)与细胞膜的相互作用。蛋白质(多肽)与细胞膜的相互作用在细胞活动和生命过程中扮演着非常重要的角色。细胞膜上的蛋白质 (多肽)结构在实现细胞生物功能例如离子传输、信息交换、基因调节、免疫应答、细胞组装等过程中起着决定性作用。与离子传输相关的离子通道蛋白质在细胞膜上的结构与功能正常是维持生命过程的基础，其基因变异和功能障碍与许多疾病例如心律失常、癫痫、帕金森、高血压、低血压、糖尿病、大小便失禁、跛足、肾病、肌肉萎缩、呼吸病、以及某些癌症等的发生和发展有关。蛋白质 (多肽)与细胞膜相互作用的机理问题是化学与生物交叉的重要科学前沿，是一个与人类疾病以及大众健康息息相关的科学问题。开展此类课题的研究，将有助于理解生物材料的生物相容性，帕金森、糖尿病等疾病的发生和发展机理，有望为具有新型生理功能的多肽、蛋白质、生物药物的设计和应用提供理论指导

代表性成果：Langmuir, 2012, 28, 16979-16988; J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6237−6243；J. Am. Chem. Soc. 2014, 136(4), 1206-1209; J. Phys. Chem. C 2016, 120, 15322–15328; J. Phys. Chem. C 2017, 121, 15181-15187；Chem. Comm. 2018, 54, 5903-5906；《物理学进展》2018, 38, 132-146；Langmuir 2018, 34, 7554–7560; Chem. Commun. 2018, 54, 5903-5906; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1941-1948.

 

2、生物膜上药物、胆固醇等分子传输机理

代表性成果：J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 419-424; Langmuir 2016, 32(44), 11681–11689; Phys.Chem.Chem.Phys. 2018, 20, 5657-5665.

 

3、生物体系以及界面盐离子效应机理研究

盐离子的独特效应无处不在。早在一百多年前，德国科学家Franz Hofmeister 发现了蛋白质溶解度与溶液中的离子种类及浓度有关，例如，对于特定的阳离子，不同阴离子对蛋白质的沉淀能力有如下序列(Chemical & Engineering News 2007, 85,47)：

后来人们发现，从蛋白质结晶、蛋白质折叠到生物酶活性、胶体组装、聚合物坍塌、磷脂分子相变，从体相溶液到溶液表面与界面特性，盐离子都显现出这种独特的效应，该效应被称为著名的霍夫迈斯特效应(Hofmeister effects)。但是，时至今日，人们对其霍夫迈斯特现象的微观机理依然缺乏足够的了解。

代表性成果：J. Phys. Chem. C 2013, 117(21), 11095-11103; J. Phys. Chem. C 2013, 117(49), 26190–26196; J.Phys.Chem.C 2015, 119(29), 16587–16595;Langmuir2018, 34, 4289-4297.

 

4、高分子、生物膜上水分子结构与动力学研究

水溶液表面/界面与很多的物理、化学、环境、大气和生物等过程密切相关。界面水能够直接影响和控制生物分子吸附、细胞膜形成、蛋白质折叠、蛋白质活性、胶束组装、湿润、离子和溶质在生物膜界面上的传输与交换过程以及材料的生物相容性。本研究致力于理解界面水分子的结构与动力学、以及界面亲疏水作用，界面水与界面分子行为的耦合作用，抗冻分子的抗冻机制。

 

代表性成果：Analyst 2012, 137(21), 4981–4987; Langmuir 2012, 28, 1374-1380; Science Advances 2016, 2, e1600579; 《物理学报》2019, 68, 013101.

 

5、生物界面超快构象变化和界面能量转移的飞秒时间分辨和频光谱研究

      蛋白质等生物大分子在行使特定生理功能时，包含多种特异性的生物大分子间相互作用，生物大分子修饰中的化学键断裂和重新形成，光合作用、能量代谢等重要生命过程中的电子传递过程，以及细胞中的信号传导过程等。而这些传输过程通常在皮秒时间或更短时间尺度里，从而使得人们能在极短时间内感应到各个生理功能的响应。揭示这些生物大分子电子和能量超快传输过程等重要生理功能的物理化学机制对表征技术的发展和应用提出了重要需求，也成为本世纪生命科学领域的一个重点研究方向。针对该问题，我们将发展一套时间分辨和频光谱探测系统，用于研究细胞膜界面生物分子各个基团间的能量与电子传输过程以及各个基团与周围分子相互作用信息。

代表性成果：Chin. J. Chem. Phys. 2017, 30, 671-677; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12977-12981; Nat. Commun. 2019, 10, 1010.

 

6、组装体系中的弱相互作用及其协同效应机理研究

自组装是创造具有特定功能新物质的重要途径。其通过静电相互作用、氢键相互作用、范德华相互作用以及憎水相互作用等弱相互作用，在各种竞争条件下联合作用到组装体产生“Gulliver”效应，从而形成强大的组装驱动力。不过，如何识别和测量这些相互作用以及它们之间的协同效应一直是相关领域的难题。

代表性成果： J.Phys.Chem.C 2015, 119(29), 16587–16595; J.Phys.Chem.C 2015, 119(45), 25394-25400; J.Phys.Chem.C 2015, 119(51), 28523-28529; Phys.Chem.Chem.Phys. 2017, 19, 4488-4493.

 

研究方向三：界面分析化学

该研究方向主要是从应用的角度，将我们发展的技术拓展到各种实际表面和界面分析，包括纳米表/界面分析、功能材料表/界面分析、高分子表/界面分析等。

 

研究方向四：界面表征新技术

研发各种新型的表界面分析技术和仪器设备，探索和频光谱与其他技术结合的复合技术与仪器设备，并最终实现技术的商业化。

指纹区分辨和频技术：J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 1206-1209；J.Phys.Chem.C 2016, 120, 15322–15328；Science Advances 2016, 2, e1600579；J.Phys.Chem.C 2017, 121, 15181-15187; Chem. Comm. 2018, 54, 5903-5906; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1941-1948.

飞秒时间分辨和频技术：Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12977-12981；Chin. J. Chem. Phys. 2017, 30, 671-677; Nat. Commun. 2019, 10, 1010.

界面弱相互作用测量技术：J.Phys.Chem.C 2015, 119, 16587–16595; J.Phys.Chem.C 2015, 119, 25394-25400; Phys.Chem.Chem.Phys. 2017, 19, 4488-4493.

和频光谱与布鲁斯特角显微镜结合技术：J. Phys. Chem. C 2012, 116, 16553-16560；Journal of Molecular Liquids 2016, 219, 111-116.

和频光谱与石英天平结合技术：Langmuir 2012, 28, 1374-1380；Science Advances 2016, 2, e1600579。

局域电子态测量技术：Analyst 2011, 136, 2489-2494；Chem. Commun. 2019, 55, 541-544.

 

正在主持或参与项目

1、主持国家杰出青年科学基金“复杂体系的界面物理与化学”，2020/01-2024/12，400万，进展中；

2、主持国家重点研发计划纳米科技专项“纳米结构跨频域及跨时域尺度的动力学表征”的课题二“表界面性质表征及其对光电转换与光催化性能影响”，2018/05-2023/04，387万，进展中；

3、主持国家自然科学基金面上项目“界面生物大分子与其结合水耦合动力学的飞秒时间分辨非线性光谱研究”，2019/01-2022/12，65万，进展中；

4、参与国家重点研发计划量子调控与量子信息专项“局域场下受限小量子体系的量子调控”，2017/07-2022/06，125万，进展中；

 

已经结题的主持项目

1、主持中国科学技术大学启动基金，2009/10-2012/09，20万。

2、主持中央高校基本科研业务费专项资金中国科学技术大学青年创新基金“离子通道蛋白质与细胞膜相互作用的分子机理研究”，2010/01-2011/12，20万，已结题；

3、主持国家自然科学基金面上项目“离子通道蛋白质与细胞仿生膜相互作用机理的非线性光谱研究”(21073175)，2011/01-2013/12，37万，已结题；

4、主持教育部留学回国人员启动基金，2013/01-2015/12， 3.5万，已结题；

5、主持国家自然科学基金面上项目“界面蛋白质霍夫迈斯特效应的非线性光谱与动力学研究”，2013/01-2016/12，80万，已结题；

6、主持国家自然科学基金面上项目“生物膜融合蛋白质分子结构与动力学的时间分辨非线性光谱研究”，2015/01-2018/12，96万，已结题；

7、主持中国科学技术大学重要方向项目培育基金“生物分子结构与动力学的多尺度新谱学技术”，2015/01-2018/12，400万，已结题；

 

已经结题的参与项目

1、参与中央高校基本科研业务费专项资金中国科学技术大学创新团队培育基金“细菌运动行为的多尺度研究”，2014/01-2016/12，项目负责人袁军华教授，已结题；

2、参与中国科学院知识创新工程重要方向项目水科学基础问题研究计划cluster“水、水溶液及界面的微结构和微观动力学”(KJCX2-EW-W09)，项目负责人罗毅教授，2011/01-2012/12，个人经费20万，已结题；

3、参与中央高校基本科研业务费专项资金中国科学技术大学创新团队培育基金“神经可塑性及相关疾病的多尺度前沿影像研究”，2010/01-2012/12，项目负责人刘北明教授，个人经费10万，已结题；

4、参与973计划项目“基于分子和分子体系的量子调控” (2010CB923300)子课题“功能分子及其量子态在固体表面上的行为表征和调控”，项目负责人罗毅教授，2010/01-2014/08，个人经费50万，已结题；

5、参与国家自然科学基金重大研究计划“可控自组装体系及其功能化”(91127042)，项目负责人刘世林教授2012/01-2015/12，个人经费60万，已结题。

6、参与中国科学院水科学基础问题研究计划“微结构中水的行为与调控”，项目负责人刘世林教授，2014/07-2018/12，个人经费45万，已结题；

7、参与国家自然科学基金重点项目“凝聚相复杂体系表界面超快非线性光谱和动力学研究”，2017/01-2021/12，150万，已结题；