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生物大分子静态与动态结构的研究极大的依赖于生物物理方法学的发展与进步。软物质实验室面向国际前沿，发展了解析生物大分子静态结构的串行飞秒晶体学的结构解析方法以及解析动态结构的高精度光谱尺方法，发明了单分子表面诱导荧光衰逝技术；搭建测量能量转移方式的超快相干二维光谱装置、飞秒时间分辨全光谱荧光动力学测量系统与高精度时间脉冲升温分辨红外光谱系统。
范海福院士带领的团队从2014年开始深入研究串行飞秒晶体学的数据分析方法，先后提出了“基于倒空间衍射强度分布规律的衍射数据推演方法”、“无机粉晶样品的串行飞秒晶体学分析方法”、“同晶置换样品的串行飞秒晶体学分析方法”，以及“串行晶体学数据中杂质信号的消除方法”。其中，利用串行飞秒晶体学方法直接对包含多个晶型的粉晶样品进行衍射成像，并通过数据分析进行衍射强度分离，得到多套完整的、与不同晶型样品对应的数据，这一构思以及实现方法，是当前粉晶分析领域一个革命性的突破，它能够将多晶型数据分析的效率提高一个数量级。上述方法和理论，均为本实验室的原创工作，并已发表在相关领域的权威期刊上，如（IUCr）Acta Crystallographica Section D等。2018年该团队加入到实验室新成立冷冻电镜实验室之中，将与李方华院士带领的电子显微方法学研究团队一起，将基于直接法的相位推演方法用于生物冷冻电镜数据的处理和结构解析之中，从而提升冷冻电镜数据的质量和结构解析的成功率。
李明研究员带领的团队提出并应用单分子荧光光谱学策略，以原位状态下单个生物大分子动态行为的精密测量为基础，辨析复杂开放生命界面众多个体的动力学行为，发明了三种高精度的适用于蛋白质机器复杂运动行为观测的方法，解决了长期以来缺乏直接在亚纳米尺度上对单个分子的运动和状态变化进行实时精确测量这一难题，推动了生物界面分子动力学研究领域的纵深发展。该团队与合作者共同开发了命名为nanotensioner的技术，成功将单分子荧光共振能量转移的实际测量精度提高到0.2 纳米，使碱基尺度（~0.34纳米）以下的空间运动细节的观测成为可能，有效突破了蛋白质与核酸相互作用测量的瓶颈，并结合该技术较高的时间分辨率（ms），系统解决了柔软单链涨落带来的测量难题，在核酸界面系统的研究上取得了一系列原创研究成果（Nucleic Acids Res. (2016), Phys. Rev. Lett. (2017)、J. Phys. Chem. B (2018) 和 Nature (2019)），受到了相关跨学科领域的广泛关注和正面评价。该团队还发明了命名为SIFA（Surface Induced Fluorescence Attenuation；表面诱导荧光衰逝）和LipoFRET（Liposome-induced FRET; 囊泡包裹荧光衰逝）的超高精度荧光分析方法，分别适用于微小曲率生物膜界面（固液界面的近理想二维脂双层）和大曲率生物界面（真实生命体中的三维悬浮囊泡）生物大分子跨膜动力学行为的高精度观测，并首次直观展现了蛋白质机器在垂直生物膜方向上的动态过程。相关成果发表在Nat. Comm. (2016)和Angew. Chem. Int. Ed.(2019) 等高影响力期刊。
翁羽翔研究员带领的团队通过发展脉冲升温-时间分辨中红外光谱方法、飞秒时间分辨的荧光光参量放大光谱与二维电子光谱设备等时间分辨光谱技术，开展了一系列蛋白质动态结构与生物功能之间关系的研究。在过去的几年中，率先研制了用于纳秒脉冲近红外激光升温的钬激光器，将研究蛋白质动态结构变化的脉冲升温-时间分辨中红外光谱方法测量精度提高了一个数量级（2015 Sci. Instru.Rev.），并成功用于高等植物捕光天线通过蛋白质动态结构的变化实现低光照条件下的高效传能级高光照条件下的过剩激发能耗散；随后美国和德国的同行科学家先后都采用了钬激光加热的方法，提升了该领域的仪器水平。 研制国内第一套飞秒时间分辨二维电子相干光谱装置，并利用该装置研究了细菌叶绿素分子的低振动频模与电子态耦合的相干过程，观测到了多振动模量子拍，并在实验的基础上提出了二维光谱中的多振动模相干耦合的新机制；与理论相结合，应用飞秒时间分辨二维电子光谱揭示了高等植物捕光天线的超快传能途径（2015 Chinese JCP）。研制了具有自主知识产权的飞秒时间分辨多通道锁相光参量荧光放大光谱仪（2015 Sci. Instru. Rev.），并利用该装置成功地揭示了光合细菌反应中心皮秒量级的超快能量转移过程。
