1.多重超分子自组装

在过去的数十年中，超分子化学经历了迅猛发展。其中，基于配位键优异的方向性和可控性，配位自组装已经成为构筑二维和三维超分子结构的有效手段。迄今为止，此领域涌现出大量的大环和多面体组装体，然后多数结构的复杂度和组装的精准度依然不及生物大分子，由此导致功能的精妙程度也远远低于生物体系。围绕以上挑战，我们团队致力于针对以下三个方面开展了系统研究：

（1）我们发展了基于多臂配体的多重配位自组装策略，实现了二维和三维超分子结构的精准构筑。这些具有精确结构的超分子可以进一步组装成为规则有序的纳米结构，并且具有独特的性质。

（2）复杂超分子组装的不可控性和表征手段的缺乏已严重制约了此领域在功能方向的探索。针对此挑战，我们团队发展了基于多维度质谱和扫描隧道显微镜（STM）的表征技术，突破了具有大分子量和弱相互作用的超分子结构表征瓶颈。同时我们将探索制备级质谱与STM的一体化装置研制，即pMS-STM，此装置可实现大分子结构的原位可视化表征。

（3）基于多重配位自组装和独特的表征手段，我们致力于具有分子层次精准度的新材料开发，探索的范围包括主客体化学、分子识别、反应调控、仿生催化、模板合成以及生物医学。

2.基于三联吡啶类似物的超分子自组装

超分子化学的精彩之处在于其通过自组装实现了结构基元自发地从混乱到有序的变化，从而精准地构建复杂的结构。动态可逆的分子间相互作用是超分子可控自组装的基石，但其却导致传统超分子缺乏结构稳定性，从而限制了对超分子结构和性能的深入探索。如果能在超分子自组装精准构筑结构的基础上，通过简单的化学反应使之结构从动态可逆变为静态稳定，将有望一举解决以上难题，为超分子化学开辟崭新的方向。围绕上述设想，基于配位自组装，我们的研究方向围绕以下三个方面展开：

（1）发展类三联吡啶配体，利用新配体与金属配位作用在中性条件下动态可逆，而碱性条件下静态稳定的特性，构建兼具结构精准性和化学稳定性的配位超分子。

（2）基于新配体配位作用在酸碱调控下的动态-稳态变化，将其与传统配位作用及共价反应有机结合，进行自组装新方法的探索，设计并构筑出结构精妙、功能先进的配位超分子。

（3）我们将充分研究新配体给超分子带来的性质变化，包括电荷状态、金属价态、分子磁性、主客体作用等。结合超分子结构精准和化学稳定兼备的特性，我们致力于该类配位超分子材料在仿生催化、光电器件、量子计算与存储、生物医药等方面的应用探索。

3.表面合成与单分子表征

借助扫描隧道显微镜STM等表面科学技术，表面合成化学近年来迅猛发展，一些利用传统方法无法获得的低维碳基纳米结构得到了精确制备。通过对前驱体分子的合理设计、热力学动力学调控、自旋态保护、针尖操纵等方法，一些具有奇异自旋和拓扑性质的碳结构也有望通过表面合成的方法得到原子级精准制备和表征。此外，将STM与制备级质谱、同步辐射技术等多种手段联用，也有望实现溶液反应机理研究的突破，在单原子尺度实现反应中间体精确解构，从而明晰反应机理。围绕上述设想，基于表面化学和溶液化学的深度融合，团队研究主要围绕以下两个方面展开：

（1）自旋拓扑碳结构的合成与表征。利用表面合成化学的手段，借助扫描隧道显微镜/显微谱、非接触式原子力显微镜和高分辨同步辐射谱学技术，进行低维自旋碳结构的原子级精准构筑和相应自旋态、拓扑态的单分子尺度表征和解析，并探索其在电子器件中的应用。

（2）有机反应中间体表征。发展质谱分离-STM-同步辐射谱学-针尖增强拉曼多维度表征系统，将溶液反应中复杂中间体利用软着陆的方法沉积到样品靶面上，通过STM对其结构进行亚原子尺度成像，通过STM针尖与同步辐射耦合对其元素和价态进行单原子尺度辨认，通过针尖增强拉曼对其官能团进行埃级分辨识别，从而明确中间体结构，明晰有机反应机理。

4.仪器研制

质谱（Mass Spectrometry. MS）技术可以高效分析和表征目标物的组成、结构及质量信息。该技术凭借分析灵敏、检测快速、操作简单等特性，已被广泛应用于未知化合物的鉴定、反应中间体的捕获、反应筛选、及分子特异性识别等相关领域。为进一步开发质谱技术，我们的研究方向主要集中于：

（1）自主研制制备级质谱仪器

传统商业化质谱功能单一，难以满足对多种复杂化学反应过程监测和中间体的表征。我们将自主研制多功能制备级质谱，开发新型离子传输分析部件与离子软着陆系统，实现大束流离子的选控和m/z分析，完成反应中间体的精准捕获和高通量沉积制备。同时与扫描隧道显微镜(STM)等其他表征手段联用，实现化合物的多维度全面表征。

（2）开发“软”电离质谱技术

常规质谱离子源技术对弱稳定化合物的电离存在易产生碎片、无法得到完整结构信息的问题，长期困扰着超分子化学领域的分子表征。我们将开发更“软”的质谱离子化技术，在保证检测灵敏度的同时，实现弱稳定化合物的完整表征。

（3）新型质谱表征技术应用研究

基于质谱可精确测量化合物的m/z并在复杂体系中辨识目标化合物，我们将致力于捕获活性中间体以明晰反应机理以及高通量反应筛选平台的搭建，推动合成化学、超分子化学，生物医药等领域的科研进展和技术创新。