日本科学家借助二茂铁分子设计出世界上最小的分子机器

研究人员首次成功地将二茂铁分子稳定在平面基底上，从而创造出一种电子可控的滑动分子机器。仅由几个分子组成的人工分子机器在催化、分子电子学、医学和量子材料等多个领域都具有变革潜力。 这些纳米级设备通过将外部刺激（如电信号）转化为分子水平的受控机械运动来发挥作用。

铵连接二茂铁（Fc-amm）和冠醚的复合物组装在 Cu（111）表面上，利用扫描隧道显微镜（STM）通过向二茂铁基团注入空穴激活其滑动运动。 资料来源：千叶大学的 Toyo Kazu Yamada

二茂铁–一种独特的鼓形分子，在两个五元碳环之间夹着一个铁（Fe）原子–是分子机械的杰出候选者。 二茂铁的发现为它赢得了 1973 年的诺贝尔化学奖，并使它成为这一研究领域的基础分子。

二茂铁的魅力在于其非凡的特性：铁离子的电子状态从 Fe²⁺ 转变为 Fe³⁺，会引起碳环围绕分子中轴旋转 36°。 这种旋转可以通过外部电信号进行控制，从而实现分子水平的精确操纵。

尽管前景广阔，但二茂铁的实际应用却面临着巨大的挑战。 二茂铁吸附在表面上，特别是平面贵金属基底上时，即使在超高真空条件下，也会在接近室温时分解。 直到最近，还没有找到一种可靠的方法，可以将孤立的二茂铁分子固定在表面上而不会引发分解。

在一项开创性的研究中，由日本千叶大学工程研究生院副教授山田丰和（Toyo Kazu Yamada）领导的研究小组，包括千叶大学工程学院的彼得-克吕格（Peter Krüger）教授、日本分子科学研究所的克拉聪（Satoshi Kera）教授和台湾国立清华大学的堀江正树（Masaki Horie）教授，终于攻克了这一难题。 他们成功地制造出了世界上最小的电控分子机器。

“在这项研究中，我们通过在贵金属表面预涂二维冠醚分子膜，成功地将二茂铁分子稳定并吸附在贵金属表面。 这是二茂铁分子在原子尺度上运动的首个直接实验证据。 “他们的研究成果发表在2024年11月30日的《小》杂志上。

为了稳定二茂铁分子，研究小组首先通过添加铵盐对其进行改性，形成了二茂铁铵盐（Fc-amm）。 这提高了二茂铁分子的耐久性，并确保它们能牢固地固定在基底表面。 然后，这些新分子被固定在由冠醚环分子组成的单层薄膜上，该薄膜被放置在平坦的铜基底上。 冠醚环分子具有独特的结构，其中心环可容纳各种原子、分子和离子。

Yamada 教授解释说：”以前，我们发现冠醚环状分子可以在平坦的金属基底上形成单层膜。 这种单层膜将 Fc-amm 分子中的铵离子捕获在冠醚分子的中心环上，通过对金属基底起屏蔽作用来防止二茂铁的分解。”

接下来，研究小组将扫描隧道显微镜（STM）探针放在Fc-amm分子的顶部，并施加电压，从而引起分子的横向滑动运动。 具体来说，当施加-1.3伏电压时，一个空穴（电子留下的空位）进入铁离子的电子结构，使其从Fe2+状态切换到Fe3+状态。 这引发了碳环的旋转，并伴随着分子的横向滑动运动。 密度泛函理论计算表明，这种横向滑动运动是由于带正电的 Fc-amm 离子之间的库仑斥力引起的。 重要的是，当电压被移除时，分子又会回到原来的位置，这表明这种运动是可逆的，并且可以通过电信号进行精确控制。

“这项研究为基于二茂铁的分子机械提供了令人兴奋的可能性。 它们在分子水平上执行专门任务的能力可以带来许多科学和工业领域的革命性创新，包括精准医疗、智能材料和先进制造，”Yamada 教授强调了其技术的潜在应用。

这项研究在分子机器的设计和控制方面取得了关键性突破，可在众多领域取得重大进展。

编译自/ScitechDaily