日本东大发现纳米尺寸的单轴旋转型分子轴承

新技术 2018年09月26日
日本语

东京大学的研发小组发现,纳米尺寸的碗状分子能在管状分子中围绕1个轴旋转(单轴旋转)。这种单轴旋转现象是在固体试料中观测到的。今后有望用于新的分子机器设计。

研发小组此前制作过结合使用“球”和“管”的分子轴承,此次发现,结合“碗”和“管”,能实现单轴旋转这种定向运动。由“碗和管”构成的分子轴承是自行组成的,芳香族氢和芳香族π电子之间的相互作用“CH-π氢键”合计有10个参与了该构成。

氢键在自然界中常被用作固定分子之间的位置和距离的键,通过此次的研究成果确认,结合多个氢键可以实现分子的旋转运动。这个发现与一直以来的常识正好相反,即“在固体中或者分子间的相互作用较多时,由于分子的位置被固定,分子应该是静止的”。

相关研究成果于2018年9月17日发布在国际学术杂志《自然通讯》(Nature Communications)上。

此次,研发小组利用被称为CH-π氢键的新氢键,成功在外形似管的管状分子中捕获了外形似碗的碗状分子。由此发现了纳米尺寸的小轴承(图1)。碗状分子是名为碗烯的分子,管状分子由研发小组自主设计和合成,是碳纳米管结构的一部分。

日本东大发现纳米尺寸的单轴旋转型分子轴承

图1:实现单轴旋转的“碗和管”组成的分子轴承(上图)

图1为分子轴承的分子结构,在该结构中,随着球代表的氢原子(灰色)在碳原子管(红色)中滑动,中央的碗(蓝色)能够旋转。氢原子和碳原子的接触点由名为CH-π氢键的新氢键构成。虽然CH-π氢键在氢键中也属于相互作用比较弱的,但此次的分子间存在10个CH-π氢键,因此碗状分子被牢牢捕获在管状分子中(图2、3)。尽管单个CH-π氢键的力量很弱,但通过采用多个,其相互作用加在一起,整体就会形成较大的相互作用。

日本东大发现纳米尺寸的单轴旋转型分子轴承

图2:通过量子化学计算明确的“碗和管”组成的分子轴承

日本东大发现纳米尺寸的单轴旋转型分子轴承

图3:通过量子化学计算明确的“碗和管”组成的分子轴承

图4是根据晶体结构分析并通过实验明确的分子结构。晶体结构分析结果显示了碗状分子在管状分子内旋转的可能性。分析发现,碗状分子存在于其中心轴周围的多个位置(图4)。

日本东大发现纳米尺寸的单轴旋转型分子轴承

图4:通过晶体结构分析明确的“碗和管”组成的分子轴承。斜上方的俯视图(上)和侧视图(下)

文 客观日本编辑部

日文发布全文 [网址]

相关阅读