Nature：分子马达！
学研汇 技术中心
特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。
原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
人造分子马达通过单向运动的形式来实现将外部能量转化为有用功。通常，分子马达的研究主要在溶液中进行研究，但由于固体表面能提供固定的参考点，进而实现分子马达运动跟踪，因此，固体表面上分子马达的研究也引起了关注。然而，由于分子马达的运动功能必须被印在化学结构中，且在固体表面上表现出的功能要比溶液中减少，因此固体表面的分子马达需要复杂的设计和合成。
有鉴于此，奥地利格拉茨大学Leonhard Grill等人通过将表面与简单分子相结合，实现了在没有任何液体的情况下高效电机在均匀金属表面上以更小的长度尺度运行，该分子本身不包含任何运动单元。作者通过在单分子水平上跟踪运动，证实了该运动由分子内质子转移触发的，并伴随着势能表面的相应调制。研究结果表明，分子沿着原子级定义的直线100%的单向性移动。单个CO分子的受控传输证明了电机执行有意义的工作，这种简单化的概念为纳米结构在原子尺度受控地自下而上组装奠定了基础。
固体表面的分子单向运动
作者使用二甲苯基-ATI分子作为演示对象，以Cu（110）作为基底，二甲苯基-ATI分子属于氨基托苯亚胺（ATI）家族。氨基质子转移到亚氨基的相邻氮原子上会导致互变异构化。作者通过STM观察了单个分子的运动，结果清楚地表明运动由沿[110]方向的整数个晶格位点跳跃组成，每个跳跃通过一个表面晶格常数到达下一个等效吸附位置，运动是100%单向的。
图 二甲苯基-ATI分子在Cu(110)上的单向运动
分子运动触发因素
为了证实分子运动的单向性与触发跳跃的 N-H 振动分配一致，作者对氘 (D) 取代的化合物进行了研究，STM观察证实，正是 N-H 振动在激发时引起了观察到的单向运动。在确定了 N-H 激发作为分子运动的输入通道后，作者进一步探究了单向性是如何引起的。结果表明，为了实现单向性，需要分子内质子转移和不对称势能面（PES）的相应调制。
图 N–H伸缩振动作为分子运动的触发因素
势能景观
单向性可以根据计算出的不同吸附位置和互变异构体之间转变的 PES 合理化，质子转移与平移运动的结合导致了单向性。作者通过势能图探究了分子结构演变途径，解析了分子马达的单向运动机制，表明只有表面和分子的结合才能产生完美的单向运动，分子本身缺乏运动功能。
图 单向运动的势能景观
单个CO分子演示
除了单向运动之外，作者还展示了分子的可控运输能力。选择吸附在表面铜原子顶部的CO分子作为演示对象，展示了“货物运输”过程。对于单独的二甲苯基-ATI分子，分子运动产率约为9.5×10−10次/e-，如果它推动CO分子，则分子运动产率约为 5.7×10−11次/e-，产率减少了一个数量级以上。
图 吸附马达对单个CO分子的“扫雪机”作用
参考文献：
Simpson, G.J., Persson, M. & Grill, L. Adsorbate motors for unidirectional translation and transport. Nature 621, 82–86 (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-06384-y
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06384-y
版权声明：
本平台根据相关科技期刊文献、教材以及网站编译整理的内容，仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。
