触发三维分子异构化的机械力

扫描隧道显微镜(STM)的尖端已被用于在单个分子的三种可能的异构体之间精确切换。该方法提供了一种利用机械力操纵三维分子构型的新方法，可在分子机器领域得到应用。

微小的结构变化往往会导致分子化学和物理性质的显著差异，因此在单分子水平上控制异构化在催化或药物合成等领域至关重要。扫描探针显微镜是研究表面异构化的一种强大的技术，已经提出了涉及光和电激活的几种策略。虽然使用机械力触发这一过程提供了额外的好处，但这一领域的进展仍然有限。

中国和德国的研究人员现在发现了一种使用STM尖端在银底物上诱导单分子可逆异构化的新方法。“机械力可以作用于分子的特定原子位置，对化学过程和产物提供前所未有的控制，”指出Hong-Jun高中国科学院院士。“在我们的研究中，我们设计并合成了一种名为‘蝴蝶’的3D分子N, N-dimethylamino-dianthryl-benzene。高解释说，当这个分子被放置在基质上时，两个蒽基在平面内，形成了蝴蝶的“翅膀”，而二甲氨基位于平面外，起着“头部”的作用。他说，这种结构对于确保分子和尖端之间的不对称相互作用非常重要。

“当尖端靠近分子时，由于蝴蝶头部的空间阻力，它只与其中一个翅膀相互作用。”相反，当尖端从分子上缩回时，与分子相互作用的翅膀被拉离基质，而另一个仍然附着在基质上。在尖端进一步缩回时，分子最终从顶端分离并落在表面上，其中一个翅膀完全旋转，形成另一个异构体。研究人员发现，如果没有面外基团，异构化过程就会被阻断。他们进行了分子动力学模拟和控制实验来证实这一机制。“我们的方法可以扩展到其他分子，”高说。“关键是要有一个3D分子拓扑结构，允许不同的机械作用与尖端。”

托马斯Frederiksen他在西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心研究纳米结构和界面，他指出，这项研究有助于理解操纵表面单分子的可能策略。他说:“这样的控制水平是至关重要的，例如，可以帮助分子机器的设计和操作。”“这些结果体现并丰富了原子尺度操纵和控制的活跃研究领域，该领域在过去几十年取得了长足的进步。”

隆Kumagai德国弗里茨哈伯研究所的分子科学研究所在日本，他证明了两个氢原子的跳跃操纵porphycene分子,²提到力诱导开关也适用于其他系统，尽管方式不同。他说:“由于不同的分子有不同的性质，机制不可能完全相同。”“但它总是与势能表面的改变有关，这决定了化学动力学。他补充说，尽管结果在测量技术方面并不是革命性的，但力诱导单分子开关的例子非常有限。“因此，这篇论文是建立单分子力学化学的关键，我认为这是一个重要的新兴领域。”