背景介绍
宏观世界并非微观分子的简单堆砌，而是通过单个分子自身丰富的功能以及与其他分子的协同配合所共同构筑。相互作用是复杂系统具有涌现性质（即超越系统中单个成分特性总和的特性）的前提，而具有结构多样性、尺度多样性、和相互作用多样性的分子对复杂行为的涌现至关重要。为了追溯复杂分子行为的起源以获得整体涌现的原因，理解单个分子为理解一个系统中的涌现行为铺平了道路。
近日，郭雪峰教授，贾传成教授团队在《JACS Au》期刊上发表了题为“Understanding Emergent Complexity from a Single-Molecule Perspective”的综述文章。文章提出来自单分子结的电信号可以观察单个分子的行为，以及分子内和分子间的相互作用，强调了通过单分子结探究分子内轨道相互作用、弱分子间相互作用和化学反应中的相互作用的思想，为自下而上探索涌现的复杂行为提供了基础，也为未来单分子结在复杂系统研究中的潜在方向提供了指导。
文章内容简介
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分子内轨道相互作用
分子内轨道相互作用产生了分子内复杂的电子结构，在多体系统中表现为非线性效应。当多个原子的轨道重叠形成分子轨道时，会产生立体电子效应、量子干涉效应和叠加效应，这些效应正是复杂系统性质产生的原因。本节旨在对立体电子效应、量子干涉效应和叠加效应三种效应及以往的研究进行介绍。立体电子效应是指分子构象的空间重排对分子性质的影响，分子几何形状和电子分布的微小变化都会导致整个系统的显著性质变化，有不可预测的复杂性。量子干涉产生于分子内电子的波状性质，可能会产生高度多样化的相互作用模式，模式间的组合和干扰可以导致复杂结构的出现。叠加效应来源于分子中多个区域的导电通道之间的相互作用，使内部电子分布变化，在不同条件下可能会表现出不同的性质，从而导致系统的复杂性。单分子技术具有精准控制、高灵敏度和高分辨率的优点，为直接观察上述效应提供了实验条件，这对于揭示分子内部的复杂性至关重要。
1.1 立体电子效应
原子、键类型和立体化学构型的不同组合可以导致分子的多样性，而这些因素的组合和排列决定了其复杂性。本节通过在单分子水平上控制电子学来指导分子的构象实现立体电子效应，进而应用于分子开关等。图1展示了两种单分子结的立体电子效应，在图1a所示分子中，单分子结（Si1−Si10）的一维电导随着分子长度的增加呈指数下降（图1b），而尖端−衬底电极间隙变宽时，单分子结的电导率会突然增加，较低电导和较高电导分别对应开关前后状态（图1c），H3C−S−CH2−SiMe2−的两个末端二面角的立体电子效应是导致开关的主要原因。由于金原子对分子施加的扭矩，二面角在尖端−衬底距离上容易发生变化，在能量最低的Au−Si4−Au几何结构中，两个端Me-S−CH2−SiMe2−的二面角由A−A（紫色）变为O−A（黄色）变为O−O（绿色）（图1a）。O−A和A−A具有相似的隧穿耦合，因此系统中存在两种电导态。硫−亚甲基键的结构变化导致了电子分布和运动的不均匀，从而产生了立体电子效应。
联苯及其衍生物在有机电子学、有机合成、制药和医学应用以及许多其他化学和材料领域发挥着不同的作用。图1d所示的石墨烯基六苯基芳香链单分子结研究了立体电子效应。一般来说，芳香链分子中的苯基扭曲产生不同的共轭度，有可能导致高/低电导态。通过研究单分子结的电学特性，证明了苯旋转动力学的复杂性；三苯基分子的两种不同的电导态对应于两端外苯基环的双稳定性，在联苯侧引入不对称取代基会诱导更复杂的行为。带有偶氮苯侧基的三苯基可实现偶氮苯的光致顺反异构（图1e），通过立体电子效应调节电荷传递，且偶氮苯可以调节苯基环的旋转势垒，因此侧基团是调节单分子结中立体电子效应、进而调整分子开关的一种手段。
图1 基于单分子结的立体电子效应
1.2 量子干涉（QI）
QI作为电子的一种基本行为，在复杂的电子传递通道中表现出其复杂性。量子干涉效应（QIE）来自于不同分子轨道传播的电子波函数之间的干扰，可以通过分子结构或环境变化来调节分子中的电荷输运。QIEs强烈地依赖于连接模式，已有破坏性量子干涉（DQI）实验确认，具有元连通性的苯体系的导电性低于具有对位和邻位连通性的苯体系。Yuta Tsuji等人将QI特征与分子的Huckel矩阵的行列式联系起来，证明了量子干涉与双基团一定同时存在（图2a）。
QIEs促进分子处于构造量子干涉（CQI）或DQI状态，两种状态分别增加或降低电子透射概率，具有大量的开/关比，为分子器件带来了功能复杂性。此外，在共轭分子中，DQI来自成对占据轨道和虚轨道之间的干涉项，电荷输运主要由σ-电子控制；在饱和分子中，DQI来自非配对轨道抵消。基于两种电荷传递路径，蒽醌（AQ）是一种典型的交叉共轭体系，与线性偶联蒽（AC）和断裂偶联二氢蒽（AH）相比，其表现出较低的电导率，Guedon等人研究了DQI通过双端分子连接的电荷输运，发现 AQ-DT的电导率比AC-DT低两个数量级。由于AQ-DT和AQ-MT的HOMO和HOMO−1几乎简并，电荷通过HOMO和LUMO之间的间隙内的两条路径输运，可以产生相位差，导致部分波破坏性干扰并降低分子电导（图2b,c）。
电化学门控是在QI器件中实现最佳电性能的有效策略。Bai等人报道了离子液体中作为电化学门的单分子电化学晶体管，栅控制进一步引起输运电导率的变化。单分子电导在一个集成了四个电极的电化学尖端珠芯片上测量，研究了含（2,4-TP-SAc）和不含（2,4-TP-SAc）DQI的分子的化学输运特性，在DQI影响下，分子平台的位置随电极电位的增加向右偏移（图2d,e）。表明通过DQI对单分子噻吩连接施加一个门，费米能级可以定位于共振和反共振之间，电子势从−0.4到1.3 V变化时对应电导率有大约100倍的变化，此现象进一步丰富了分子中电荷输运调节的复杂性。
含蒽和芘的共轭中心单元可以作为模型来研究从单分子系统到在CQI和DQI之间切换的双分子系统的QIE复杂性。Li等人通过STM-BJ技术和密度泛函理论模拟，研究了堆叠的类石墨烯二聚体中的QI控制的电导增强。对于分子CQI-L，二聚体的电导相对于单体增加了25倍；对于CQI-H，二聚体的电导率比单体低40倍（图2f,g）。于是在单分子系统的特定结合位点观察到，DQI在同一结合位点的双分子系统中将转化为CQI，从单分子到双分子系统的QIEs反映了电荷输运的多样性，多电子通路的存在也进一步丰富了QI的复杂性。
QIEs可以转移到更大、更复杂的分子系统中。Xu等人通过单配体连接、单分子笼和单层连接研究了QIEs（图2h）。他们通过闪烁噪声分析产生的功率密度谱确定，对于单一的1,3-二吡啶基苯配体连接，DQI可以从配体转移到笼中或单层薄膜上，在单配体、单笼和组装的单层尺度上，转运仍然保持相相干，而QI可以在相相干距离内被放大。
QIE的复杂性源于电荷传输通道的多样性，深入的研究将为材料科学和量子物理学提供重要的意义，并获得对复杂分子系统的基本理解。
图2 基于单分子结的量子干涉
1.3 叠加效应
分子多个区域内的复杂电荷输运通道相互作用产生叠加效应，平行路径和空间共轭多通道电导为其两种经典机制。空间共轭促进了与紧密堆叠的π系统的空间电子通信，脱离了对共价键的依赖，使多维能量和电荷传输成为可能。
1949年，空间偶联研究开始于[2.2]副环酚（[2.2]pCp），因为它的π系统可以离域在大约3.1 A间隔的两个苯基环之间，这是典型的跨空间共轭构象（图3a）。理论分析得知[2.2]pCp具有较强的跨空间共轭，具有更有效、更膨胀的π体系。为了探索更深入的机制，结合分子构象的波动、化学输运机制的变化，有研究试图建立一个可控的电导-位移关系以实现具有大量开关因子的分子电位计。通过STM-BJ观察到具有锚定基团的邻-五苯衍生物的不同构象产生的溶剂敏感多电导（图3b），这些伪弹性折叠分子可以被机械拉伸或压缩，使电导发生两个数量级的变化，获得高达1−25的开关比。通过空间和通过键的传导途径控制的多通道电导被确定为折叠正苯衍生物的电荷传递机制，叠加复杂度与多重电导通道之间的关系表明了分子尺度上电荷输运的多样性和复杂性。
叠加效应也可以通过单分子结内的多通道电导来实现。Zhen等人研究了通过空间共轭六苯苯对单分子导线的多通道电导，通过STM-BJ测量，电导与空间共轭率成线性关系。最终电导率达到12.28 nS，远大于通键电导率（2.45 nS）。在圆形排列、面对面的苯环之间建立的环形通空间共轭做出了巨大的贡献，并补偿了与减弱的通键共轭相关的电导损失。将跨空间和跨键共轭集成到多通道导电模型中，将是设计具有高水平电导和稳定性的单分子导线的一种好方法（图3c）。
具有多个导电通道的单分子平行电路也可有效提高电导。Shen等人介绍了一种跨空间共轭单分子平行电路（f-4Ph-4SMe），该电路包含两个紧密对齐的对四苯链和桥接分子乙烯，末端以四个SMe锚定基团组成。根据STM-BJ数据和传输计算，f-4Ph-4SMe表现出不同接触构型导致的多重电导态：当所有SMe基团同时与电极接触时，通过键和通过空间导电通道协同作用，相对于具有两个SMe基团的类似分子或两个四苯链的总和，电导率显著更高。该系统是通过堆叠平行分子促进电荷输运的理想模型系统，并说明了多通道电荷输运的复杂性和叠加效应（图3d）。
图3 基于单分子结的叠加效应
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分子间相互作用
复杂的分子，特别是超分子，表现出共价和非键相互作用，可以导致分子识别和自组装过程，最终产生更复杂的结构和功能多样性。因此，全面了解分子间的相互作用对于开发新的功能分子系统至关重要。
单分子结可检测分子组分间的弱分子间相互作用，包括π−π堆叠、σ−σ堆叠、氢键和主客体相互作用，这些相互作用会影响其电子器件的电导，从而赋予超分子在其单个组件中无法观察到的涌现特性。全面研究作为复杂分子系统构件的分子间相互作用，以及发展其特性的潜在因素，将有助于在单分子水平上调节这些相互作用，并为分子识别和自组装提供见解。
2.1 π−π堆叠
π−π堆叠在生物大分子系统中普遍存在，它们可以保持蛋白质的结构，并促进蛋白质−配体的识别，在维持DNA和RNA中碱基堆叠的稳定性方面发挥着重要的功能。因此，对π−π堆积的深入研究有助于理解生命系统中复杂性的出现和演化。
芳香分子的电荷传递机制可分为两类：一种是电子离域在分子平面内的共轭，即通过键的共轭；一种是π电子离域在相邻π堆叠芳香单元之间的区域中，即通过空间的共轭。
当单个分子的π-电子堆叠在两个或两个以上相邻的芳香环上时，分子内π−π堆积，从而产生空间共轭。[2.2]pCp是检测分子内π−π堆积的典型模型。Schneebeli等人使用STM-BJ测量了含有多个紧密π−π堆叠芳香环的分子丝的单分子电导，发现随着堆叠苯环数量的增加，电导呈指数衰减，表明存在非共振隧穿机制（图4a,b）。
π−π的堆叠相互作用也强烈地依赖于芳香族单元的相对几何排列。Stefani等人对以环烷为中心的分子桥施加应变来改变相互作用和电导，当电极彼此远离时，在不同的样品中，可以观察到明显的电导振荡，其振幅可达一个数量级（图4c-e）。密度泛函理论表明，振荡可以用前沿轨道的QI和分子在机械变形时起着弹簧的作用来解释。
分子内的π−π堆叠亦发生在可以在原位机械折叠的折叠体中，折叠改变构象，为π-电子提供跨空间的电荷传输通道。Carini等人报道了一个蒽单位递增的叶酸族分子，通过分子内氢键和芳香相互作用采用折叠s型构象，折叠在相互作用的蒽组分之间打开了一个跨空间的电荷传输通道，使得单分子STM-BJ的电导值非常高，但随着主链中蒽类物质数量的增加而呈指数级下降（图4f,g）。其他折叠体，如f-TPE-PPy、77f-4Ph-4SMe、和邻苯、都有通键和通空间共轭传导通道，这些稳定的π−π堆叠相互作用是研究复杂折叠系统的完美模型。
π-堆叠的二聚体是分子间π−π堆叠的标准模型，其中两个相同的分子，每个分子只有一个连接体通过π−π相互作用与电极结合，堆积作用的强度高度依赖于空间位阻、溶剂效应、堆积作用和浓度等环境条件。Frisenda等人在π−堆叠的二聚体中使用MCBJ电荷传输观察到机械控制的QI，分子是具有一个（S−OPE3）或两个（S−OPE3−S）硫醇锚定基团的低苯乙烯（OPE3）（图4h）。他们获得了S-OPE3和S-OPE3-S的断裂迹线二维电导−位移直方图如图4i所示，S−OPE3的电导直方图显示出两个高概率的特征区域，表明S−OPE3存在两种不同结合能的π-堆叠构象，与理论计算一致。
图4 基于单分子结的π−π堆积
2.2 σ−σ堆叠
σ−σ堆叠是一种新发现的非键相互作用，有望形成具有不同结构和功能的复杂系统。受理论计算的启发，Feng等人发现相邻的非共轭环己硫醇或单锚定金刚烷分子之间的σ−σ堆叠相互作用可以足够有效地进行电荷传输。在STM-BJ测量过程中，环己乙硫醇在二维直方图中显示出与苯硫醇相似的两种不同的电导云（图5a,b）。以1-阿丹酰烷硫醇为模型，验证了非偶联环己烷环之间形成的σ−σ堆叠分子连接的电荷传递的可能性，图5c的电导直方图表明形成了三种不同构型的分子连接。高电导（GH）状态的最短平台接近单个金刚烷分子的长度，而低电导（GL）状态的最长平台大约是最短分子长度的两倍。因此，GH态仅与一个1-金刚乙硫连接有关。GM和GL态被确定为堆叠的分子连接，由两个金刚烷笼之间的σ−σ相互作用形成。GM状态对应于“边对边”交互，而GL状态对应于“头对头”交互（图5d）。闪烁噪声分析表明，通过空间耦合主导了电荷输运，表明σ−σ堆叠可以作为两个非共轭分子之间的电荷输运通道。虽然σ键在化学中很常见，但σ−σ堆叠作为一种弱的非键相互作用，目前仅通过STM-BJ测量来特征。预计未来将提供进一步的实验证据，全面解读σ−σ相互作用的本质，并实现基于它们的各种功能。
图5 基于单分子结的σ−σ堆积
2.3 氢键结合
氢键是在生物和化学系统中普遍存在的一种非共价相互作用，在单分子结中已经观察到通过氢键进行的电荷输运。Nishino等人发现它对于电荷传输比短程σ键更有效，但在超过13 Å的路径中，氢键中的电导迅速衰减，反映了氢键对距离依赖性。此外，氢键的形成和强度受到溶剂条件的强烈影响。通过氢键形成的单分子结倾向于存在于非质子、非极性或低极性溶液中，因为强质子供体或受体的存在可能会干扰目标氢键的形成。
Ge等人研究了区域异构体在非质子和中性和非质子溶剂中的单分子电导，发现质子溶剂可以操纵氢键，在CQI和DQI之间切换电导。理论计算预测，在没有溶剂的情况下，通过双两性离子的传输由CQI控制，而通过双中性离子的传输则由DQI控制（图6a）。他们采用STM-BJ测量了不同溶剂环境下两性离子和中性离子的电导。图6b比较了1、2、4-三氯苯（TCB）和碳酸丙烯（PC）和乙醇（EtOH）混合溶剂中双两性离子的个体电导痕迹，PC：EtOH中bit-两性离子的电导率低于TCB。因此，相对于非质子溶剂，质子溶剂降低了双两性离子的电导而增加了比特中性的电导，因为分子间氢键的形成导致了双两性离子的扭曲并诱导了从DQI到CQI的转变，从平面构象到折叠构象。此外，通过两个折叠部分之间的另一个通过空间传输路径也进一步增加了比特中性电导。
Zhou等人在之前研究的基础上使用脲基嘧啶二酮对四重氢键二聚体进行了与溶剂和温度相关的测量，研究了四重氢键超分子体系的键合动力学，实验和理论结果均一致具有多模态分布（图6c,d），这源于氢键结构的随机重排，主要是通过分子间质子转移和内酰胺−乳酸互变异构。在单分子水平上，氢键的电荷转移和动态特性，可以利用氢键识别分子，如核酸和氨基酸，从而实现准确的测序。
图6 基于单分子结的氢键结构
2.4 主客体相互作用
在主客体相互作用中，主体识别并与客体结合，产生具有特定功能的超分子。通过在单分子水平上深入研究主客体相互作用，有利于在更大范围内处理复杂的相互作用系统。目前已经发展了三种策略来研究单分子结中的这些相互作用。
在第一种策略中，客体穿过主体（通常是大环）并连接于两端电极，即客体分子充当导电桥。例如，Zhang等人构建了一个以紫精为导电桥，葫芦脲（CB[8]）为主体的单分子结，他们探索了三种不同的基于紫精的分子线的单分子电导以及它们穿过CB[8]时的超分子组装体。结果显示紫精衍生物的电导在疏水性CB[8]空腔内封装后显著增加，这被解释为电子转移Marcus型模型框架内外球重组能减少所致（图7a,b）。
在第二种策略中，主体作为导电桥并容纳受体。Tang等人使用STM-BJ测量了三个超分子金属环及其与一个C60客体的配合物的电导率，金属环的电导率在与C60络合后提高了一个数量级。当金属环− C60结被机械拉伸时，电导率切换回自由主体水平，从金属环中释放出C60客体。通过机械拉伸，不同形状和腔径的金属环主机表现出不同程度的灵活性，以适应C60的形态，表明主客体相互作用可以调节分子电导（图7c,d）。
在最后一种策略中，主体被共价连接到一个分子桥上，形成一个额外的门控，客体可以通过主客体交互来操纵载流子密度，在实时电流测量中引起电流峰值。该技术能够在单分子水平上直接观察主客体相互作用，增强我们对复杂生物系统中分子间相互作用的理解。Liu等人报道了一种单分子技术，通过使用GMG-SMJ精确动态测量主客体相互作用，可以直接分化不同的蛋白质氨基酸及其对映体。与电极集成的分子桥具有一个刚性共轭的有机分子主干和一个过甲基化的-环糊精（PM-β-CD）侧臂用于识别。他们在几微秒内观察到了具有不同结构和手性的氨基酸的实时电学识别，与理论结果一致表明，PM-β-CD能够识别氨基酸的各种带电态。为识别许多其他重要的环境或生物分子以及在分子水平上深入理解生物过程提供了一个通用的工具（图7e,f）。
图7 基于单分子结的主客体相互作用
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化学反应中的相互作用
相互作用是化学反应网络的基础。理解在单分子水平上的相互作用机制可以解释化学反应网络中涌现的复杂性。要想准确地理解化学反应的相互作用，就需要打破时空极限。单分子结技术由于其高时间分辨率，能够实现反应轨迹和中间体的在线实时监测，以及解析不同事件之间的相关性，已被广泛用于研究内在反应机制和相互作用。本节总结了单分子结被用于检测化学反应相互作用的情况。
3.1 底物−底物相互作用
底物−底物相互作用是大多数化学反应的先决条件，也是复杂反应网络的重要组成部分。例如，Guo等人使用GMG-SMJ实时跟踪Fries重排反应途径及其特定的分子内/分子间相互作用模式，在单分子层面上表征了有争议的反应机制，提出了Fries重排的不同机制途径，包括完全分子内，完全分子间，和部分分子内和分子间，并制成一个单分子忆阻器。他们在石墨烯电极中连接了一个带有苯酚中心的分子桥，并监测了酰基部分与苯酚之间的相互作用（图8a），单底物测量表明，只有一个底物位于分子桥的中心，表明在酰基最终离开反应笼之前检测到几个反应事件（图8b），且描述酰基部分重构的事件的特征值也从多组轨迹中得到，说明Fries重排过程中固有的静态能量分布和动态行为。在单底物测量中观察反应轨迹，揭示了单事件水平上的酰基-苯酚相互作用，使后续对更复杂反应的研究成为可能。
辅酶在单分子水平上的相互作用对于复杂的生物过程具有重要意义。通过单酶电导测量和多尺度模拟，Zhang等人提出了一个更新的甲酸脱氢酶的催化循环，并阐明了辅酶-辅酶的相互作用。为了确定五种中间态的催化途径，他们使用STM-BJ的两个固定电极之间距离的悬停模型来检测单酶反应的实时电导波动，尽管有大量的监测轨迹，Zhang等人仍无法捕捉到参与甲酸脱氢酶（FDH）催化过程的脱酶态（T5）（图8c,d），表明T5可能在催化循环中被绕过。计算研究表明，新鲜烟酰胺（NAD+）很容易扩散到FDH中的NADH附近，导致NAD+与NADH之间存在较强的π−π堆叠作用。新生的NADH可以通过原位氢化物转移反应转化为NAD+，新鲜的NAD+。实验和计算结果表明，NADH的酶结合亲和力明显强于NAD+，表明通过酶态的直接位置交换具有强烈的反对性。因此，从单分子相互作用中探索酶催化的反应可以揭示复杂的生物过程。
图8 基于单分子结的底物−底物相互作用的表征
3.2 底物−催化剂相互作用
深入研究底物-催化剂的动态相互作用对催化优化至关重要。单分子结侧重于单个催化剂的反应轨迹和动力学，以澄清催化机制和复杂的行为。Yang等人报道了一种通用的单分子电子光谱学来揭示安息香反应的内在机理，以及底物−催化剂的相互作用。他们使用以不饱和主链作为桥接分子中心的N-杂环卡宾（NHC）的催化剂（图9a），并监测了苯甲醛的均缩合，苯甲醛和辛基醛的交叉缩合，以获得实时反应轨迹和详细的热力学/动力学信息。底物浓度依赖的测量显示了在低浓度下催化剂和底物之间的重复相互作用，在低浓度时出现散点或聚集的信号（NHC和BI之间的转换），而在高浓度时出现密集的随机信号。将给定间隔的反应事件进行记录并用自相关函数分析相邻间隔的相关性（图9b），发现反应在低浓度下具有一定的相关性，而在高浓度下则是完全随机的。表明了归因于富电子催化剂和缺电的芳香底物环，以及分子桥和芳香醛之间的π−π堆积，催化剂和底物能够在低浓度下重复的相互作用。他们在单分子水平上表征了化学反应的相互作用，证明了单分子技术可以识别各种中间体和可视化复杂的反应过程。
图9 基于单分子结的底物−催化剂相互作用和催化剂-催化剂相互作用的表征
3.3 催化剂−催化剂相互作用
催化系统不仅仅是单个催化循环的总和，催化剂的多样化形成了一种不可忽视的复杂性，为了提高催化性能，催化剂-催化剂之间的相互作用也变得值得研究，而多分子连接可以分析两个相邻的催化反应之间的相互作用。Guo等人发现了在两个平行分子结中接近的两个单独催化剂在时间尺度上的抗腐蚀行为（图9c）。两个催化剂催化的Suzuki−Miyaura偶联的同步电子表征显示了催化反应网络的16种状态之间的转换时序二维图（图9d），根据该图，发现一个催化剂的催化行为与另一个催化剂的催化行为存在很大的相关性，即工作过程中（处于Pd(ii)）的催化剂会对周围催化剂有抑制作用(使其停留在Pd(0))。两种催化剂之间的破坏性干扰是由溶剂引起的长程偶极-偶极相互作用所导致的。这种催化剂之间的破坏性干涉行为也解释了在宏观实验中所测得的TOF较低的原因。这些具有单事件分辨率的多分子反应动力学测量可以用来分析从单分子到系综转变过程中的复杂性，并建立它们之间的桥梁。
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总结
本文突出了单分子结技术研究复杂分子系统的进展，包括分子内轨道相互作用、弱分子间相互作用和化学反应中的相互作用。分子的行为和在单分子水平上的相互作用将使人们能够理解宏观维度的集体行为和功能是如何产生的。因此，单分子技术是系综分析的关键步骤，弥合了个体和整体之间的差距。鉴于复杂性科学的挑战，我们提出了未来单分子结技术研究复杂相互作用系统的四个方向。第一个建议是从单分子的角度重新定义和制定宏观概念，如基本的热力学和动力学参数；第二个建议是利用分子内和分子间的量子效应，如相干性效应、叠加效应、纠缠效应和隧穿效应；第三个建议是开发多模态单分子表征方法，电交互过程中的光、机械、磁和其他信号有助于理解复杂相互作用网络的完整图景，应该发展集成这些各种物理性质测量的超高时间和空间分辨率技术，以实现多维和多模态表征；第四个建议是引入计算建模工具，用于可视化数据和化学系统中的复杂行为，如反应节点和网络中化合物之间的相关性。复杂分子系统的多尺度涌现的建模是一项具有挑战性的任务，需要适当的理论和发展多时间和空间尺度的模拟。利用人工智能处理复杂系统的单分子实验数据，可以总结涌现的复杂性规律，从而为实验提供指导。最后，在单分子水平上对涌现现象的解释甚至预测将需要化学、物理学、生物学和计算机科学的交叉融合。我们相信，单分子结技术将会成为复杂系统领域的一个有前途的手段，有希望为相互作用网络提供微观层面的见解。
原文信息
该文章于2024年3月24日以“Understanding Emergent Complexity from a Single-Molecule Perspective”为题被JACS Au在线发表。文章的共同第一作者是北京大学郭逸霖博士、李明瑶博士，作者还包括南开大学赵璁，北京大学张艳锋教授，共同通讯作者为北京大学和南开大学双聘郭雪峰教授和南开大学贾传成教授。此研究得到了国家重点研发项目、新基石科学基金、北京自然科学基金、北京国家分子科学实验室、中央大学基础科研基金、南开大学新有机质前沿科学中心的联合资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacsau.3c00845
撰稿：王泽翔
校稿：郭逸霖
编辑：齐子源
