基于充电态和氢键构筑表面安装的超分子马达

Molecular motors are nano-scale machines that can convert external chemical, light, or electrical energies into controlled mechanical movement. In supramolecular motors, the rotator and stator are connected through mechanic interaction, and thus reveal very low energy barrier. On the other hand, in nature, motors operate at interface, surface-mounted motors offer the most potential in application. One question arises that is it possible to fabricate surface-mounted supramolecular motor? If yes, what kind of force exists between the rotator and stator? Furthermore, what kind of energy and means will be used by the supramolecular motor? In present proposal, we will address these questions by fabricating ethanol supramolecular motors on semimetal and insulating surface. First, we apply voltage pulses through a STM tip to charge the individual ethanol clusters, serving as a stator. Then the self-assembled ethanol chains driven by hydrogen bond will be sued as rotator. It is the electrostatic interaction that connect the rotator and stator. The inelastic tunneling electrons from STM tip will be used to drive the rotation of rotator. Moreover, we will used the I-t spectrum and molecule dynamic simulation to reveal the relation between the rotation rate and energy barrier, and understand the mechanism of supramolecular motor at the molecule level, and provide a new way for designing and constructing new type of motor.

分子马达是指把外界的化学能，光能或电能转换为定向转动的纳米机器。在超分子马达中，定子和转子之间不存在共价键，而是以力的形式相连接，因而具有很低的转动能垒。另一方面，自然界中的分子马达都工作在界面附近，因此研究表面安装的分子马达更具有应用前景。一个重要的问题是，能否制造出一种表面安装的的超分子马达？如果能的话，定子和转子靠什么力相结合？用什么方式和能量来驱动转子的转动？本项目将围绕这些问题，在半金属和绝缘表面上制备乙醇超分子马达。首先，利用STM针尖施加电压脉冲给乙醇团簇充电，使其作为马达的定子；利用氢键自组装生长乙醇分子链，使其作为马达的转子；定子和转子通过静电吸引相连接。我们可以利用STM针尖输出的非弹性隧穿电子来驱动分子链的转动。利用隧穿电流-时间谱和分子动力学模拟研究马达的转动频率与转动能垒之间的关系，从分子尺度上理解超分子马达的运转机制，为设计和制造新一代分子马达提供新的思路。

分子马达是指把外界的化学能，光能或电能转换为定向转动的纳米机器。由于转动是单一方向，分子马达可以对外做功；旋转体的转动方向具有随机性，顺时针转动或逆时针转动均可发生，对外做的净功为零。因此制备表面支撑的超分子马达无疑更具有实际意义。本项目基于分子自组装和充电态方法，利用转子和定子之间的静电力，在半金属和金属表面上制备氢键连结的超分子马达和单分子马达。.(1) 利用STM针尖施加电压脉冲给乙醇团簇充电，使其作为马达的定子；利用氢键自组装生长乙醇分子链，使其作为马达的转子；定子和转子通过静电吸引相连接。我们可以利用STM针尖输出的非弹性隧穿电子和手性结构，来驱动分子链的转动。利用隧穿电流-时间谱和分子动力学模拟研究马达的转动频率与转动能垒之间的关系，从分子尺度上理解超分子马达的运转机制，为设计和制造新一代分子马达提供新的思路。.(2) 基于类似的方法，我们在石墨基底上制备了氢键和充电态调控的水分子马达和旋转体。利用团簇中的水化电子于电偶极矩之间的静电引力以及隧穿电子的驱动力，制备出一系列结构不同的水分子马达。发现水分子马达不再是一条线性的直链，在转动过程中分子链出现了弯曲现象。这种弯曲带来的手性结构对于避免旋转体的出现起到了一定的抑制作用。.(3) 我们找到了一种基于分子薄膜的应力释放机制产生的周期性空位，制备单分子马达二维阵列的新方法。在Cd(0001)和半金属Bi(111)表面上制备了平面十字型分子酞菁钴(CoPc)，酞菁铜(CuPc)，酞菁锰(MnPc)，和非平面的酞菁锡(SnPc)分子马达和旋转体。发现分子马达具有不同的转动方式，如偏向转动和环式滚动运动。发现分子-基底之间的非对称电荷转移效应可以诱导分子的对称性破缺，从而产生电子态的手性特征。. 上述研究结果为制造大规模的氢键组装的超分子马达，单分子马达，及其二维有序阵列提供了新的方案。为制备电驱动的分子马达的实用化和高效化提供了技术支持。