化学反应以反应条件的不同通常可以分为热化学、光化学和电化学。除此之外,力化学指的是通过机械力作用引发或者介导的一类化学反应。近年来,随着高分子力化学的发展,研究者开始可以设计和合成一系列的力化学响应聚合物,广泛应用于力学传感器、材料自修复和力催化反应等方面。这些力化学反应往往需要一个比较大的能量或者机械力密度,用以介导和影响共价键层面的化学反应。在自然界中,力化学也起着非常重要的作用。特别是细胞层面上,机械力可以通过一些力化学过程转变成生物化学信号应答,这些过程通常发生在比较小的机械力下。与常规的力化学反应不同,我们将这些非共价力化学反应称为软力化学。然而,对于尚处于初生阶段的力化学和软力化学,还有许多未知的领域等待发掘,还有许多未解决的疑难等待克服。本论文将分别从力化学和软力化学角度,以基于原子力显微镜的单分子力谱技术为基础,探索单分子力化学和软力化学的本质,为解决力化学的基本问题提供理论指导,推动力化学领域的纵深发展。本论文的主要研究内容有以下四个方面:（1）高分子中碳碳双键顺反异构的单分子力谱研究碳碳双键（c=c）作为自然界中和高分子里普遍存在的最基本的化学键,在大部分的研究中,被认为是机械力不敏感的分子。我们采用基于原子力显微镜的单分子力谱方法,发现通过对单个高分子施加一个1.7 nN左右的拉伸力,可以实现在室温下碳碳双键的顺反异构。我们通过自由基捕获实验和量子化学密度泛函理论计算证明这个转变是通过一个自由基中间态而实现。我们认为由于机械力拉伸方向与双键方向不平行,拉伸不仅会提供一个平行分量来降低转变能量势垒,而且会有一个垂直分量促进双键的旋转,这个理论成功地给出在相对较低的拉伸力下观测到这个热力学"禁止"反应的原因。（2）马来酰亚胺-巯基键的单分子力谱研究马来酰亚胺-巯基作为一对特异性的共价交联分子应用非常广泛。但是由于会发生巯基交换和自身水解开环,我们对于马来酰亚胺-巯基键的力学稳定性尚不清楚。我们采用基于原子力显微镜的单分子力谱方法,研究马来酰亚胺-巯基键在机械力下的响应。我们发现马来酰亚胺-巯基键在水相环境中的解离力要显著地大于无水环境。为了进一步探索在机械力作用下的马来酰亚胺-巯基交联产物的力化学反应路径,我们通过预开环实验和预拉伸实验,证明了机械力可以极大地加速马来酰亚胺-巯基在水相中的水解开环速率,达到更稳定的状态。通过这样一个力化学转变,我们将原本需要100 h的水解开环反应加速到了 1 s量级,显示出了机械力对于化学反应转变的强大前景。（3）配体-受体相互作用的单分子力谱研究细胞粘附分子作为生物体中最重要的一类受体蛋白,在生理环境下大都以同源二聚体的形式存在。然而,这种二聚化的深层分子机制仍然不为人所知。在此,我们提出了一个理论模型,用以理解多个配体与单个受体之间的成键解离行为。我们发现由于二聚化分子在解离过程中存在着配体再结合和配体交换的动力学过程,它介导的细胞粘附能力相比单体分子大大增强。随后我们通过基于原子力显微镜的单分子力谱研究了一个二聚化的cRGD分子从整合素蛋白（α_vβ₃）上的解离,证实了我们的理论模型。我们的发现在单分子层面揭示了细胞粘附的成键强度通过二聚化机制增强的分子机理,是进一步理解复杂细胞粘附行为的关键所在。（4）配体-细胞膜相互作用的单分子力谱研究T细胞受体CD3通过基于CD3胞内段与细胞膜的相互作用,调控其结构动力学,进而介导特异性的抗原免疫应答,但是其中的结构动力学尚未研究清楚。我们发展了基于单分子力谱的软力化学方法研究CD3胞内段的结构动力学。在单分子层面上发现,根据三个与细胞膜磷脂分子有着不同结合特性的功能化区域的开关状态,CD3胞内段存在着基于多种构象的动力学。这样的一个基于磷脂结合的结构变化动力学可以为T细胞受体的多功能信号提供结构基础。