世界各地的科学家都对开发新型材料感兴趣，以帮助人们过上更可持续、更健康的生活，但是要生产这些材料，需要对它们所构成的分子的神秘结构有详细的了解。设计人员希望用可持续的植物衍生化合物代替浪费的塑料，但是如果不了解植物化合物的分子结构，这将是一个挑战。阿尔托大学（Aalto University）开发的一项新技术应使研究人员能够获得这些基本信息。
为了实现这一目标，研究人员将通用的材料分析技术与人工智能相结合。原子力显微镜（AFM）使用难以置信的细针来测量纳米级物体的大小和形状，并且已经可以用于测量扁平的薄饼状平面分子的结构。通过在大量AFM数据上训练人工智能算法，科学家现在可以通过令人兴奋的现实应用来识别更复杂的分子。
该团队现在能够拍摄单个3维分子的图像，并具有足够的细节，从而有可能了解分子不同部分的不同化学性质。这项工作是由阿尔托大学的研究人员在学院教授彼得·利耶罗斯（Peter Liljeroth）以及亚当·福斯特（Adam S. Foster）和朱霍·坎纳拉（Juho Kannala）教授的带领下完成的。最近发表在“科学进展”杂志上。
“研究人员目前使用的方法是猜测结构，根据AFM图像模拟并检查猜测是否正确。当存在多种可能性时，这是缓慢而困难的，最终人们无法确定是否想到了所有可能的结构。”彼得·利耶罗斯解释说。
研究人员使用了一种称为1S-camphor（樟脑）的生物分子，该分子具有众所周知的原子结构，并且作为木材工业的生物产品，与其他阿尔托研究人员对生产可持续产品感兴趣的许多分子相似。通过结合机器学习和AFM模拟，福斯特教授的团队开发了一种深度学习系统，该系统将一组AFM图像与其分子结构相匹配。首先，在模拟的AFM数据上测试了机器学习系统，分析了具有平面和非平面几何形状的各种分子。为了测试其有效性，使用了大量实验数据并取得了令人兴奋的结果：AI能够可靠、快速地解释复杂3-D分子的AFM图像，并说明其化学性质。
该论文的第一作者本杰明·奥尔德里特（Benjamin Alldritt）解释说：“这项研究令人兴奋，因为它为我们提供了使用当前实验方法了解材料的新方法。通过将机器学习与AFM相结合，我们可以了解以前无法实现的3-D结构图像。此外，这种新方法在确定分子在表面上的位置方面比现有方法要快，并且比人类专家更快，更可靠。
凝聚态物质的教科书告诉我们，熔解不可能是连续的，然而事实上，包括聚合物和其他长链化合物在内的经验告诉我们，熔解是强的一级跃迁。
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21799-9
晶体熔化，通常是强烈的一级跃迁。在熔点(Tm)，纯物质面临着一个严峻的选择：是低能量、低熵晶体，还是高能量、高熵液体(图1a)。在某些情况下，晶体的三维长程位置和取向顺序，可能在两个或更多离散的中间步骤中消失；这些是一些化合物所表现出的液晶态，通常是两亲性的不等长形状(图1b)。大多数晶体长链分子和聚合物，不会形成液晶，但有人认为它们的晶体-熔体转变，可能也不尖锐：片状晶体可以几乎连续地从表面向内熔化(图1c)。
然而，实际上只看到了，非常有限的预熔量，涉及到只有几个原子深的表面层的无序。聚合物，通常在一定温度范围内熔化，但主要是由于其层状晶体的厚度不同。当厚度均匀并抑制加热过程中的增稠时，在2°C内熔化，长链单分散正构烷烃，在1°C区间内熔化。然而，研究者在此报告，如图1c所示，在长链化合物的单层中确实可以发生从表面向内的几乎连续的平衡熔化。
在此，研究者分析了迄今为止，合成的最长的精确单分散烷烃n-C390H782的熔解行为。通过一系列保护-偶联-脱保护步骤，合成了链长为n> 100的单分散线性烷烃，并提供了独特的模型聚合物，允许对聚合物结晶和形态的理论，进行严格的测试，而没有由多分散性产生的混淆。研究者利用原子力显微镜(AFM)，研究了石墨负载的n-C390H782单分子层的熔化行为。与此同时，研究者进行了大规模分子动力学模拟，并建立了半定量分析模型。这些研究共同提供了实验证据，也解释了这种模型聚合物的熔点，超过80 K异常的几乎连续熔点。该发现有助于，理解聚合物熔化现象的基本原理。
正构烷烃CnH2n+2和聚乙烯(PE)分子，由于全反式烷烃链上CH2基团上的氢(0.254 nm)和石墨六元环中心(0.246 nm)的紧密外延匹配，而特别强烈地粘附在石墨(001)表面(图2a, b)。
5、原子力显微镜测试粗糙度图2 石墨上n-C390H782单层膜的原理图模型和AFM相图。
综上，正如很久以前预测的聚合物，但从未见过的，研究者在此观察到长链正构烷烃，吸附在石墨上的连续熔化。研究者的实验观察、MD模拟和理论分析表明，这种行为，是晶体-熔体界面过度拥挤效应，大大减少的结果，以及实质上二维熔体的熵大大减少的结果。
而在非聚合晶体中，除了表面单胞外，所有的晶体在热力学上都是相等的，在相同的温度下熔化，在链状化合物中，如果不是由于表面过度拥挤，而阻碍了层状表面的连续熔化，则单胞的自由能对层状表面的距离，有很强的依赖性。
6、原子力显微镜测试的注意事项本文研究的长链烷烃体系，不同于在其片层中，含有许多链褶的聚合物。需要注意的是，由于链的折叠，是一种非平衡现象，这类实验将会变得更加复杂，因此，在聚合物链折叠的片层熔化过程中，分离动力学和热力学现象将是一个挑战。（文：水生）
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）：是一种可以用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖，使之与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，会使悬臂发生微小的偏转。通过检测出偏转量并作用反馈控制其排斥力的恒定，就可以获得微悬臂对应于各点的位置变化，从而获得样品表面形貌的图像。
（1）接触模式：针尖与样品表面距离小，利用原子间的斥力；可获得高解析度图像；样品变形，针尖受损；不适合于表面柔软的材料。
7、原子力显微镜测试模式（2）非接触模式：针尖距离样品5-20nm,利用原子间的吸引力，不损伤样品表面，可测试表面柔软样品；分辨率低，有误判现象。
（3）轻敲模式：探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到谷底时与样品接触，对样品破坏小，分辨率几乎同接触模式相同。
（4）能对单细胞、单分子进行操作，如在细胞膜上打孔、切割染色体等。
8、原子力显微镜测试薄膜附着力链球菌素的结构研究：a)，溶血素被标域的晶体结构；b）,一种具有原子结构孔隙低聚物微结构的低温电子显微镜图的截面图；c),在水溶液中测得的具有(b)结构模型孔隙的AFM 3D表面形貌d),c)的高度剖面图
产气荚膜梭菌的胆固醇结合细胞溶素从孔隙形成前到孔隙组装一起的转变。（a-c） 胆固醇衣片密集群同一区域的AFM序列图片；（d,e）是组装前后更大放大倍数的AFM图
AFM测量细胞刚度的模型：(a)在液体环境中测细胞的压缩应变;(b)AFM的力-压痕曲线可测量细胞弹性（黄线）和附着力（蓝线）；(c)应力和应变弛豫曲线研究与时间相关的细胞行为；(d)功能化的原子力显微镜针尖常用作单细胞相互作用实验；(e)球形针尖或对原子力显微镜悬臂做物理修改可用于测量力的分布。
9、原子力显微镜测试图片(a) 一种基于电荷注入机制的电式纳米装置的示意图; (b)CNP2-P样品（Vet=3V，electro-typing）2×2μm2区域的输出图像，对应于谱线图f中的黑色曲线；(c) electro-typing 30分钟后的4×4μm2区域输出图像（VR=3V，Read-out），对应谱线图f中的红色曲线；(d)electro-typing 360分钟后的4×4μm2区域输出图像（VR=3V，Read-out）；(e)相同区域无electro-typing的输出图片，对应谱线图f中的粉红色曲线；(f)所有扫描图像对应的谱线图。
AFM峰值力轻敲模式下菱铁矿(Ⅰ)和吸附着油酸盐的菱铁矿(Ⅱ)图像:(a) 2D高度像；(b)3D高度像；(c)峰值力误差信号像
（6）大气环境下结肠癌细胞形态学（高度、长度、宽度和粗糙度）表征
10、原子力显微镜测试粗糙度经富勒醇培养48小时的单核和多核SW480结肠癌细胞的AFM像：(a-c)对照组SW480细胞结构；(d)单核SW480细胞的3D结构；(e，f）多核SW480细胞的3D结构
原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。
接触模式（Contact Mode）：AFM最直接的成像模式。在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10～10-6Ｎ。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，则不宜选用接触模式对样品表面进行成像。
