在-268℃的极寒环境下，科学家们操作扫描探针显微镜的尖端，如同进行一场分子级别的“精细手术”，首次实现了对有机分子骨架的原子精度编辑。

一个国际研究团队利用扫描探针显微镜的尖端，以可控方式从有机分子中精准移除单个氧原子，实现了原子精度的“骨架编辑”。这项突破性研究发表于最新一期《美国化学会志》，为在原子尺度合成功能性分子结构提供了有力工具。

01 什么是分子“骨架编辑”？为什么它如此重要？

要理解这一突破的价值，我们首先需要了解有机分子的基本结构。有机分子的物理化学性质主要由两方面决定：一是构成分子骨架的核心原子排列，二是连接在骨架外围的官能团。

通过添加或修饰官能团来调整分子特性（称为“外周编辑”）相对容易。例如，引入亲水官能团，可使疏水分子溶于水。这类操作已属常规化学操作。

然而，分子骨架一旦形成，其本身结构便难以直接改动。在药物研发中，不同骨架版本之间有时仅相差一个原子。正因如此，“骨架编辑”近年来备受关注。

这一方法可在已形成的分子骨架内精确插入、移除或替换单个原子，从而避免每次从头合成的烦琐。通过构建新骨架，可调节药效或毒性，或改造聚合物结构实现塑料的高值化回收。

骨架编辑的意义堪比从传统建筑到现代装配式建筑的革命——我们不再需要把建筑材料完全拆解重构，而是可以在现有结构上进行精准改造。

02 国际团队的突破：如何实现原子精度操控？

这项研究的突破性在于实现了原子精度的可控编辑。来自瑞典查尔姆斯理工大学、IBM欧洲研究院及西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的科学家们通力合作，攻克了这一难题。

团队设计了一种特殊的前体分子，其骨架包含20个碳原子和1个氧原子。他们将该分子在超高真空环境中升华至覆有双层氯化钠薄膜的铜表面，并置于-268℃的扫描隧道显微镜与原子力显微镜联用装置中。

通过在显微镜尖端施加电压脉冲，他们成功去除了骨架中的氧原子，同时保持碳原子结构完整，实现了骨架的精准重构。

借助原子级分辨成像，团队观察到：在大多数情况下，被移除的氧原子转移至分子外围，少数情况下则被完全移除。

03 技术难点与创新：从“不可能”到“可能”

原子级精度的“骨架编辑”一直面临巨大挑战。研究人员需要克服热扰动、分子稳定性以及精确操控等多重困难。

实验环境的控制至关重要。超高真空环境排除了空气分子对实验的干扰，而-268℃的极低温则最大限度地减少了原子热运动，使科学家能够进行精确操作。

扫描探针显微镜的尖端精度是另一大关键因素。研究人员需要确保针尖既能与目标原子相互作用，又不会破坏分子其他部分的结构。这好比用挖掘机绣花，需要极高的精确度和稳定性。

研究团队还开发了精密的电压脉冲控制技术，能够选择性地打断特定化学键而不影响分子其他部分。这种“选择性断裂”是骨架编辑的核心技术难点。

这项技术的成功，标志着人类在纳米尺度操控物质的能力达到了新高度。整个过程犹如构建“原子乐高”，可针对性地移除或替换特定原子，为有机纳米结构的化学与电子性质调控提供了强大手段。

04 骨架编辑与原子制造：技术大背景下的重要一环

本次突破并非孤例，而是全球“原子精度制造”浪潮中的重要组成部分。随着航空航天、微电子、光电子和半导体等领域对零件性能要求的日益严苛，核心零部件的制造精度必须迈进原子级水平。

原子精度制造是指表面的精度、结构的特征尺寸以及加工形成的损伤缺陷的尺寸/深度在数个原子直径范围内的新制造范式。当加工精度到达原子尺度时，材料不再能被继续无限细分，而是以原子作为单位来衡量。

美国国防高级研究计划局在2015年部署“从原子到产品”研究计划，美国能源部先进制造办公室也部署了原子精度制造计划。中国科学院则启动了“功能导向原子制造的科学问题”先导项目，显示全球主要科技强国都在这一领域积极布局。

本次分子骨架编辑的突破，与南京大学陆红健团队在2025年7月《Science》上发表的吡咯烷骨架氮原子精准插入研究相呼应，显示出原子精度制造技术正在多个方向取得快速进展。

05 应用前景：从药物研发到新材料设计

骨架编辑技术最直接的应用领域是药物研发。在药物发现过程中，经常会出现一种分子具有理想生物活性但药代动力学性质不佳的情况。

传统方法需要化学家从头设计合成路径，耗时且低效。而骨架编辑技术允许研究人员直接对先导化合物进行精确改造，快速生成结构多样性分子，大大加速药物优化进程。

含氮杂环是药物化学中的核心骨架。2013至2023年间，美国FDA批准的小分子药物中82%包含至少一个含氮杂环，其中超过一半含有多个氮原子。骨架编辑技术为快速构建这类复杂分子提供了新工具。

在新材料领域，该技术同样具有巨大潜力。通过精确控制分子结构，科学家可以设计具有特定电子性质、光学性质或机械性能的新型材料，为柔性电子、能源存储等领域带来突破。

在环境保护方面，骨架编辑技术可能实现塑料的高值化回收。通过重构聚合物分子骨架，可以将废弃塑料转化为高附加值化学品，推动循环经济发展。

06 与传统化学合成的比较：优势与挑战

与传统化学合成相比，骨架编辑技术具有精准度高、步骤简洁的明显优势。传统化学修改往往需要多步反应和复杂的保护-去保护策略，而骨架编辑可以实现“点对点”的精确修饰。

传统方法通常需要贵金属催化剂或极端温度条件，而一些新型骨架编辑方法（如南京大学团队开发的氮原子插入技术）已能在温和条件下进行，使用商业可得的试剂，操作简便且成本较低。

骨架编辑技术也面临自己的挑战。目前，该技术主要在实验室环境下实现，离大规模工业应用还有距离。超高真空和极低温的实验条件增加了技术的复杂性和成本。

技术效率和通量也有待提高。当前一次只能处理单个分子，而化学合成通常可以批量进行。如何实现高效、大规模的原子精度制造是未来需要解决的关键问题。

另一个挑战是技术的普适性。目前的方法可能仅适用于特定类型的分子或反应，开发更具通用性的骨架编辑策略是未来研究的重要方向。

07 未来展望：原子制造时代的到来

骨架编辑技术是迈向更广泛“原子制造”时代的关键一步。原子制造的核心是逐一精确地操控原子去制造产品，构筑原子级细锐、精准、完美而且具备超常规物性的产品。

原子制造的应用前景极其广阔。在信息技术领域，原子制造能突破当前微纳制造的芯片能力极限。IBM的2纳米工艺每平方毫米集成了3.33亿个晶体管，而如果实现单原子垒砌，当代芯片的集成度还有3-5个数量级的提升空间。

在新材料开发方面，原子制造可以加速新材料的发现进程。传统上，一种新材料从设计到应用开发需要18年，而上千种材料中才有1个有应用价值。原子制造可以让研究人员在高效合成探索之前就知道材料的基本物性。

我国在原子制造领域有良好的基础和积累。从20世纪80年代起，我国科学家就开始关注STM原子操控、原子团簇等方向。2018年，南京大学成立了全国第一个原子制造创新研究中心；2021年浙江大学成立了原子精度制造平台。

随着技术的不断成熟，我们可以预见一个“原子定制”时代的到来。从个性化药物到定制化材料，原子制造技术将彻底改变我们设计和创造物质世界的方式。

科学家们通过扫描探针显微镜精准移除分子中特定原子的能力，让我们离真正意义上的“分子手术” 又近了一步。这项技术与南京大学团队开发的氮原子插入技术一起，正在重塑化学合成的未来 。

未来，当药物研发变得更加精准高效，当新材料发现从“大海捞针”变为“精准捕捞”，我们或许会回想起这个在-268℃实验室中实现的微小而伟大的突破。