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原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
人造分子馬達(dá)通過單向運(yùn)動的形式來實(shí)現(xiàn)將外部能量轉(zhuǎn)化為有用功。通常，分子馬達(dá)的研究主要在溶液中進(jìn)行研究，但由于固體表面能提供固定的參考點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分子馬達(dá)運(yùn)動跟蹤，因此，固體表面上分子馬達(dá)的研究也引起了關(guān)注。然而，由于分子馬達(dá)的運(yùn)動功能必須被印在化學(xué)結(jié)構(gòu)中，且在固體表面上表現(xiàn)出的功能要比溶液中減少，因此固體表面的分子馬達(dá)需要復(fù)雜的設(shè)計和合成。
有鑒于此，奧地利格拉茨大學(xué)Leonhard Grill等人通過將表面與簡單分子相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在沒有任何液體的情況下高效電機(jī)在均勻金屬表面上以更小的長度尺度運(yùn)行，該分子本身不包含任何運(yùn)動單元。作者通過在單分子水平上跟蹤運(yùn)動，證實(shí)了該運(yùn)動由分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移觸發(fā)的，并伴隨著勢能表面的相應(yīng)調(diào)制。研究結(jié)果表明，分子沿著原子級定義的直線100%的單向性移動。單個CO分子的受控傳輸證明了電機(jī)執(zhí)行有意義的工作，這種簡單化的概念為納米結(jié)構(gòu)在原子尺度受控地自下而上組裝奠定了基礎(chǔ)。
固體表面的分子單向運(yùn)動
作者使用二甲苯基-ATI分子作為演示對象，以Cu（110）作為基底，二甲苯基-ATI分子屬于氨基托苯亞胺（ATI）家族。氨基質(zhì)子轉(zhuǎn)移到亞氨基的相鄰氮原子上會導(dǎo)致互變異構(gòu)化。作者通過STM觀察了單個分子的運(yùn)動，結(jié)果清楚地表明運(yùn)動由沿[110]方向的整數(shù)個晶格位點(diǎn)跳躍組成，每個跳躍通過一個表面晶格常數(shù)到達(dá)下一個等效吸附位置，運(yùn)動是100%單向的。
圖 二甲苯基-ATI分子在Cu(110)上的單向運(yùn)動
分子運(yùn)動觸發(fā)因素
為了證實(shí)分子運(yùn)動的單向性與觸發(fā)跳躍的 N-H 振動分配一致，作者對氘 (D) 取代的化合物進(jìn)行了研究，STM觀察證實(shí)，正是 N-H 振動在激發(fā)時引起了觀察到的單向運(yùn)動。在確定了 N-H 激發(fā)作為分子運(yùn)動的輸入通道后，作者進(jìn)一步探究了單向性是如何引起的。結(jié)果表明，為了實(shí)現(xiàn)單向性，需要分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移和不對稱勢能面（PES）的相應(yīng)調(diào)制。
圖 N–H伸縮振動作為分子運(yùn)動的觸發(fā)因素
勢能景觀
單向性可以根據(jù)計算出的不同吸附位置和互變異構(gòu)體之間轉(zhuǎn)變的 PES 合理化，質(zhì)子轉(zhuǎn)移與平移運(yùn)動的結(jié)合導(dǎo)致了單向性。作者通過勢能圖探究了分子結(jié)構(gòu)演變途徑，解析了分子馬達(dá)的單向運(yùn)動機(jī)制，表明只有表面和分子的結(jié)合才能產(chǎn)生完美的單向運(yùn)動，分子本身缺乏運(yùn)動功能。
圖 單向運(yùn)動的勢能景觀
單個CO分子演示
除了單向運(yùn)動之外，作者還展示了分子的可控運(yùn)輸能力。選擇吸附在表面銅原子頂部的CO分子作為演示對象，展示了“貨物運(yùn)輸”過程。對于單獨(dú)的二甲苯基-ATI分子，分子運(yùn)動產(chǎn)率約為9.5×10?10次/e-，如果它推動CO分子，則分子運(yùn)動產(chǎn)率約為 5.7×10?11次/e-，產(chǎn)率減少了一個數(shù)量級以上。
圖 吸附馬達(dá)對單個CO分子的“掃雪機(jī)”作用
參考文獻(xiàn)：
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
