费罗烯是一种在创造分子机器中至关重要的分子，但它面临着一个重要的障碍，因为它倾向于在平坦的贵金属表面上分解。研究人员现在找到了稳定费罗烯的方法，方法是将其与铵盐结合，并将其嵌入由环冠醚分子组成的分子薄膜中。这种铵联分子在电压作用下显示出可逆的横向运动，使其成为迄今为止最小的分子机器。
人工分子机器是由少数几种分子组成的微型装置。它们在推动催化、分子电子学、医学和量子材料等多个领域方面具有巨大潜力。这些机器通过将外部刺激（如电信号）转换为分子尺度的机械运动来工作。费罗烯是一种独特的鼓形分子，特征是一个铁（Fe）原子夹在两个五元碳环之间，是这些机器的优秀构建块。费罗烯于1973年被发现，其在分子机械中的重要性获得了诺贝尔化学奖，并确立了其在分子研究中的关键地位。
费罗烯之所以吸引人，是因为其显著的能力：当Fe离子的电子态从Fe+2转变为Fe+3时，两个碳环大约围绕分子中心旋转36°。通过利用外部电信号操控这一电子状态，可能实现对分子旋转的精确控制。然而，一个显著的限制是，费罗烯在附着到基底表面时（特别是在平坦的贵金属表面上），即使在室温和超高真空下也会迅速分解。直到现在，没有找到一种可靠的方法能够在不分解的情况下将孤立的费罗烯分子牢固地键合到表面上。
由日本千叶大学的副教授山田丰和教授彼得·克鲁格、教授寺聪、教授堀江正树领导的研究团队的研究突破性地解决了这一问题。他们成功建立了世界上最小的电动分子机器。”在这项工作中，我们通过最初施加二维环冠醚薄膜，成功稳定并将费罗烯分子附着到贵金属表面。这是费罗烯基分子运动在原子水平上的首次直接实验证据，”山田教授表示。他们的研究于2024年11月30日在《小型》期刊上发表。
费罗烯的稳定性通过与铵盐的修饰实现，从而形成费罗烯铵盐（Fc-amm）。这种改变提高了其稳定性，并促进了其在基底表面上的牢固附着。新化合物固定在平坦铜基材上的单层环冠醚分子薄膜上。环冠醚分子具有独特的结构，可以捕获各种原子、分子和离子。山田教授进一步阐述，”我们之前发现，环冠醚分子可以在平坦金属表面上形成单层薄膜。该薄膜有效捕获了Fc-amm的铵离子，保护费罗烯免受与金属基底接触引起的分解。”
随后，研究团队利用扫描隧道显微镜（STM）探针与Fc-amm分子进行相互作用，并施加电压，从而引发了横向滑动运动。具体而言，施加−1.3伏的电压在Fe离子的电子结构中引入了一个孔，将其从Fe2+转变为Fe3+。这导致了碳环的旋转以及分子的横向滑动运动。基于密度泛函理论的计算表明，这种滑动是由于带正电的Fc-amm离子之间的库伦排斥作用导致的。值得注意的是，当电压被移除时，分子会返回到其原始位置，表明该运动是可逆的，并且可以通过电信号进行精确控制。
“这项研究为基于费罗烯的分子机械的激动人心的发展铺平了道路。它们在分子水平上执行特定任务的能力可能会在精密医疗、智能材料和先进制造等多个科学和工业领域带来革命性的变化，”山田教授强调了这项技术的巨大潜在应用。
