爬也要爬上Science封面，小分子也有诗和远方！

纳米人

2020-11-24

走了那么远

我们去寻找一盏灯

你说

它在一个小站上

注视着周围的荒草

让列车静静驰过

带走温和的记忆

节选自  顾城

《走了那么远 我们去寻找一盏灯》

自从费曼在20世纪80年代提出分子机器的雏形以来，科学家一直致力于纳米尺度下构造机器。

2016年，诺贝尔化学奖授予Jean-Pierre Sauvage，Sir J. Fraser Stoddart和Bernard L. Feringa，以表彰他们在分子机器的设计和合成领域的贡献。

2016年以来，科学家越来越关注将分子机器嵌入到更复杂的系统中，希望使目标分子在更长的距离上定向移动。

然而，在原子尺度上的运动往往遵循随机过程，分子运动的空间控制通常是有限的。那么，如何诱导分子发生位移？位移的长度和准确度如何控制？这些问题一直困扰着科学家，夜不能寐。

走了那么远

我们去寻找一盏灯

利用STM针尖可以沿表面加速分子，并且通过旋转分子可以获得分子优先扩散的方向，这个技术早已有之，但还没有达到这种远距离精度和高水平的运动控制。

这是因为，如果把分子看做一列列车厢，密集排列的金属基底就像一节节铁轨，为了在单分子水平上描述这种运动，必须在特定的起点和终点位置探测目标分子。这就需要把分子带到想要的轨道上，并在局部诱导目标分子沿该轨道运动。

为了解决这些问题，奥地利格拉茨大学Leonhard Grill团队利用扫描隧道显微镜（STM），实现了单个分子在金属表面的长距离移动，将带有端基溴的三氟二烯分子（DBTF）在Ag (111)表面以极高的空间精度（0.1 Å）移动了150 nm的距离。

创新无止境

这项研究的奇妙之一，就在于成功应用了双针尖的STM探针来诱导分子位移，构建了一个近乎理想的发射-接收装置，可用于精准观测目标分子的移动。

1）每个针尖在分子运动的起点和终点处都设置了一个单独的探针和操纵装置。

2）每个尖端都可以单独生成局部区域（local fields）。

图1. DBTF分子在Ag(111)面上移动

奇妙之二，在于选择了DBTF分子和Ag(111)面这对璧人。

DBTF分子与银表面的特定相互作用，使得实验非常顺利。该线性分子由三个芳香族芴单元组成，由可旋转的柔性键连接，在金属表面上不与特定的吸附位点紧密结合。侧边甲基提高了分子与金属间的距离，同时用长轴引导分子沿着紧密排列的轨道前进。

然而，要使分子在轨道上安全地运行，只能通过附加的末端溴取代基来实现，这将进一步增加支撑原子之间的相互作用。此外，分子表面系统具有指向表面外的永久偶极矩，可进一步诱导横向运动。

作者在Ag(111)表面和扫描隧道显微镜(STM)针尖之间施加电场，发现DBTF分子可以很容易地在Ag载体上移动。研究表明，电场可以通过斥力和引力从远处(150 nm)诱导粒子运动。

图2. STM操作下的单分子位移

奇妙之二，在于所有的分子最初在低温下都在锁定的、静态的取向上吸附。

只有通过STM操作旋转后，分子才会吸附到轨道上并移动，它们在长轴上达到一种低侧向扩散屏障的状态。可以推测，使分子在移动方向上吸附的首要原因，是因为难以耗散多余的吸附能量。此外，沿长轴的旋转柔性和内部振动，对分子迁移率的作用是值得研究的一个方面。

路阻且长

这项研究证明，沿着特定轨道移动分子的可能性是存在的。然而，向分子机器时代迈进需要在更复杂的系统中实现，还存在诸多挑战，譬如：

1）类似的轨道-分子系统必须在功能化的基底上实现。

2）需要建立从纳米“货车”到目标“货物”的可逆转连接路径以及适当的移交程序。

3）能够由分子机器操作的可定位或可替代的加速机制还有待探索。

分子机器可以产生所需的局部场，或者引发化学反应，通过能量释放来控制目标运输，使之达到不同的自由度。人们甚至可以设想利用光来激发反应，或者在等离激元纳米反应器中创建光整流场来提供反应物。

我们坚信，分子机器的时代，就要来临！

参考文献：

1. Donato Civita et al. Control of long-distance motion of single molecules on a surface. Science 2020, 370, 957-960.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/957

2. Friedrich Esch et al. The molecular wagon that stays on track. Science 2020, 370, 912.

https://science.sciencemag.org/content/370/6519/912