研究人員首次成功地將二茂鐵分子穩定在平面基底上，從而創造出一個電子可控的滑動分子機器。僅由幾個分子組成的人工分子機器在催化、分子電子學、醫學和量子材料等多個領域都具有變革潛力。 這些奈米級設備透過將外部刺激（如電訊號）轉化為分子層面的受控機械運動來發揮作用。

銨連接二茂鐵（Fc-amm）和冠醚的複合物組裝在Cu（111）表面上，利用掃描穿隧顯微鏡（STM）透過向二茂鐵基團注入電洞激活其滑動運動。 資料來源：千葉大學的Toyo Kazu Yamada

二茂鐵–一種獨特的鼓形分子，在兩個五元碳環之間夾著一個鐵（Fe）原子–是分子機械的傑出候選者。 二茂鐵的發現為它贏得了1973 年的諾貝爾化學獎，並使它成為這一研究領域的基礎分子。

二茂鐵的魅力在於其非凡的特性：鐵離子的電子態從Fe²⁺ 轉變為Fe³⁺，會造成碳環圍繞分子中軸旋轉36°。 這種旋轉可以透過外部電訊號進行控制，從而實現分子層級的精確操縱。

儘管前景廣闊，二茂鐵的實際應用卻面臨巨大的挑戰。 二茂鐵吸附在表面上，特別是平面貴金屬基底上時，即使在超高真空條件下，也會在接近室溫時分解。 直到最近，還沒有找到一種可靠的方法，可以將孤立的二茂鐵分子固定在表面上而不會引發分解。

在一項開創性的研究中，由日本千葉大學工程研究生院副教授山田豐和（Toyo Kazu Yamada）領導的研究小組，包括千葉大學工程學院的彼得-克呂格（Peter Krüger）教授、日本分子科學研究所的克拉聰（Satoshi Kera）教授和台灣國立清華大學的堀江正樹（Masaki Horie）教授，終於攻克了這個難題。 他們成功地製造出了全世界最小的電控分子機器。

“在這項研究中，我們透過在貴金屬表面預塗二維冠醚分子膜，成功地將二茂鐵分子穩定並吸附在貴金屬表面。這是二茂鐵分子在原子尺度上運動的首個直接實驗證據。

為了穩定二茂鐵分子，研究小組首先透過添加銨鹽對其進行改性，形成了二茂鐵銨鹽（Fc-amm）。 這提高了二茂鐵分子的耐久性，並確保它們能牢固地固定在基底表面。 然後，這些新分子被固定在由冠醚環分子組成的單層薄膜上，該薄膜被放置在平坦的銅基底上。 冠醚環分子具有獨特的結構，其中心環可容納各種原子、分子和離子。

Yamada 教授解釋說：”以前，我們發現冠醚環狀分子可以在平坦的金屬基底上形成單層膜。這種單層膜將Fc-amm 分子中的銨離子捕獲在冠醚分子的中心環上，透過對金屬基底起屏蔽作用來防止二茂鐵的分解。

接下來，研究團隊將掃描穿隧顯微鏡（STM）探針放在Fc-amm分子的頂部，並施加電壓，造成分子的橫向滑動運動。 具體來說，當施加-1.3伏電壓時，一個電洞（電子留下的空位）進入鐵離子的電子結構，使其從Fe2+狀態切換到Fe3+狀態。 這引發了碳環的旋轉，並伴隨著分子的橫向滑動運動。 密度泛函理論計算表明，這種橫向滑動運動是由於帶正電的Fc-amm 離子之間的庫侖斥力引起的。 重要的是，當電壓被移除時，分子又會回到原來的位置，這表明這種運動是可逆的，並且可以透過電訊號進行精確控制。

“這項研究為基於二茂鐵的分子機械提供了令人興奮的可能性。 它們在分子層面上執行專門任務的能力可以帶來許多科學和工業領域的革命性創新，包括精準醫療、智慧材料和先進製造，”Yamada 教授強調了其技術的潛在應用。

這項研究在分子機器的設計和控制方面取得了關鍵性突破，可在眾多領域取得重大進展。

編譯自/ ScitechDaily