近日，来自日本千叶大学、日本分子科学研究所和中国台湾清华大学的科研团队取得了一项震撼全球科学界的重大成果。他们成功创造出了世界上最小的分子机器，这一壮举有望在众多领域掀起革命性的浪潮。
分子机器由少数分子构成，在催化、分子电子学、医学和量子材料等多个领域具有巨大的变革潜力。它们能够将外部刺激（如电信号）转化为分子层面的可控机械运动。而此次研究的核心 —— 二茂铁分子，因其独特的结构和性质备受关注。自 1973 年其发现者荣获诺贝尔化学奖以来，二茂铁一直被视为分子机器研究领域的关键分子。它形似鼓状，中间的铁原子被两个五元碳环夹在中间，其铁离子的电子态变化可引发碳环围绕中心轴旋转，这一特性使得它有望通过外部电信号实现分子级别的精确操控。
然而，二茂铁在实际应用中面临巨大挑战。以往，当它吸附在平坦贵金属基底表面时，即使在超高真空条件下，室温附近也极易分解，此前一直没有可靠方法能在不引发分解的情况下将其固定在表面。
此次千叶大学工程研究生院的山田丰和副教授带领团队取得了关键突破。他们通过在贵金属表面预涂二维冠醚分子膜，首次成功将二茂铁分子稳定吸附在表面上，实现了原子级别的二茂铁分子运动，这也是首次基于二茂铁的分子运动直接实验证据。相关成果于 11 月 30 日发表在《Small》杂志上。
研究团队先将二茂铁修饰为二茂铁铵盐（Fc - amm）以提高稳定性并确保能固定在基底表面，然后将其锚定在由冠醚环状分子组成的单层膜上，该单层膜置于平坦铜基底上。冠醚环状分子中心环可捕获 Fc - amm 分子中的铵离子，从而防止二茂铁与金属基底接触而分解。
接着，研究团队使用扫描隧道显微镜（STM）探针施加电压，触发了分子的横向滑动运动。当施加 - 1.3 伏电压时，铁离子电子结构中出现空穴，使其从 Fe²⁺转变为 Fe³⁺状态，从而引发碳环旋转和分子横向滑动。理论计算表明，这种滑动是由于带正电的 Fc - amm 离子间的库仑排斥力所致，且电压移除后分子能恢复原位，表明运动可逆且可由电信号精确控制。
山田丰和副教授强调：“这项研究为基于二茂铁的分子机械带来了令人兴奋的可能性，其在分子水平执行特定任务的能力将推动精密医学、智能材料和先进制造等众多科学和工业领域的革命性创新。”
这一突破无疑为分子机器的设计和控制带来了关键进展，有望在诸多领域催生重大突破，为人类科技进步开辟新的道路。
参考资料：DOI： 10.1002/smll.202408217
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