在分子核心插入、移除或交换单个原子长期被视为化学领域的难题。该类操作被称为“骨架编辑”，因有望加速药物发现并用于聚合物主链改造、推动塑料升级再造，近年来从基础研究到产业应用的关注度持续上升。

一项最新研究将骨架编辑的操作精度推进至单分子尺度。来自瑞典查尔姆斯理工大学、瑞士苏黎世IBM欧洲研究院以及西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学CiQUS的研究人员在《美国化学会杂志》发表论文，展示了在受控条件下借助扫描探针显微镜尖端，从单个有机分子中选择性移除一个氧原子的方法。

研究人员指出，有机分子的物理化学性质主要由两部分决定：一是由相连原子构成的分子核心（即分子骨架），二是连接在骨架外围的官能团。相较于通过改变官能团实现的“外围编辑”，在既有分子中直接改变骨架通常更为困难。在药物发现过程中，不同分子骨架之间的差异有时仅体现在某个原子的有无，骨架编辑因此受到关注，其目标是在已形成的骨架内对特定位置进行原子级插入、删除或交换，从而避免每次都从头合成新的骨架。

在实验中，团队设计了一种前体分子，其骨架包含20个碳原子和1个氧原子。该前体分子在超高真空条件下升华并沉积到铜表面，铜表面覆盖两原子厚的氯化钠薄膜；样品随后被置于结合扫描隧道显微镜与原子力显微镜的装置中，温度为-268摄氏度。

团队将显微镜尖端对准单个前体分子并施加电压脉冲，实现了对骨架中氧原子的可控移除，同时碳原子骨架保持完整，从而得到不同的分子骨架。研究人员表示，这类原子“删除”属于骨架编辑反应的基本类型之一。

通过原子分辨率成像，研究团队进一步观察到，多数情况下被“删除”的氧原子从骨架位置转移至分子外围，少数情况下氧原子被完全移除。研究还结合量子力学计算，用于解释反应的机制与选择性。

查尔姆斯理工大学物理系教授Henrik Grönbeck在研究中表示，团队已证明可以以原子精度修改单个分子，选定原子能够被移除或交换。查尔姆斯理工大学物理系助理教授Shantanu Mishra则称，这些结果展示了一条以原子精度合成单分子的途径。研究团队同时预计，精确移除特定原子可用于局部调控有机纳米结构的化学与电子性质，并计划在低温、限制性与超高真空环境下，结合尖端诱导的原子删除方法，合成并研究在溶液相化学中难以制备的不稳定分子。