2016年諾貝爾化學獎授予研究分子機器的三位科學家。分子機器在分子尺度下模擬的宏觀機械的運動，現階段主要包含分子馬達、分子齒輪和分子曲軸等結構在內。其運動行為主要被外界刺激影響，是一種概念新穎的刺激響應材料。關於分子機器結構內部運動的研究，目前主要採用包括核磁共振與介電光譜在內的譜學方式。這些研究方法成功表徵了聚集態下分子機器的宏觀統計性運動結果。但如何在單分子尺度下原位捕獲分子機器的動態行為依然是一個頗具挑戰的課題。
圖：(a)分子曲軸1-3的順式與反式構象結構示意圖。(b)分子1-3的旋轉勢能面曲線。(c)分子1-3的透射係數曲線。
在國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、福建省科技計劃和福建光電資訊科學與技術創新實驗室專案的資助下，陳忠寧研究員課題組與廈門大學洪文晶教授課題組透過分子電子學中的掃描隧道顯微鏡分子結裂結（STM-BJ）技術手段清晰地表徵被選中的單個分子的電導。該研究設計合成了一系列曲軸形狀的分子，透過分子上的甲硫基與奈米金屬電極組裝，形成“電極-分子-電極”結構的分子結。該分子曲軸以1,3-丁二炔基為旋轉軸，使得兩段的萘環可以在順式/反式之間自由翻轉。該研究首先利用理論計算模擬了分子曲軸在分子結中的翻轉，並計算了兩種構型之間的電導差異。隨後透過STM-BJ技術捕捉到了單個分子曲軸在分子結中發生構型翻轉的電導切換行為。該研究進一步發現，這種隨構型翻轉而產生的電導切換行為，是由兩種構型下分子軌道間量子干涉效應的差異引起。這一研究成果不僅表明單分子電導測試可以作為監測分子機器轉動的可靠手段，更是為設計一類透過轉動調節電導的分子器件提供了有力的理論基礎。
圖：分子1-3的典型電導-時間曲線（左）與一維電導圖（右），一維圖中黃色線代表電導測試實驗當中的背景資料。
上述工作以《Capturing the Rotation of One Molecular Crank by Single-Molecule Conductance》為題，發表在Nano Letters。文章第一作者為上海科技大學聯合培養博士生屈愷和廈門大學博士後段平以及物構所副研究員王金雲，通訊作者為張潛翀副研究員和陳忠寧研究員以及廈門大學洪文晶教授。廈門醫學院的張伯超博士參與了研究工作。
來源：福建物構所
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https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03626
