簡單對稱美！日本東大發現單軸旋轉納米分子軸承

科技 09-27

東京大學的研發小組發現，納米尺寸的碗狀分子能在管狀分子中圍繞1個軸旋轉（單軸旋轉）。這種單軸旋轉現象是在固體試料中觀測到的。今後有望用於新的分子機器設計。

研發小組此前製作過結合使用「球」和「管」的分子軸承，此次發現，結合「碗」和「管」，能實現單軸旋轉這種定向運動。由「碗和管」構成的分子軸承是自行組成的，芳香族氫和芳香族π電子之間的相互作用「CH-π氫鍵」合計有10個參與了該構成。

氫鍵在自然界中常被用作固定分子之間的位置和距離的鍵，通過此次的研究成果確認，結合多個氫鍵可以實現分子的旋轉運動。這個發現與一直以來的常識正好相反，即「在固體中或者分子間的相互作用較多時，由於分子的位置被固定，分子應該是靜止的」。

相關研究成果於2018年9月17日發布在國際學術雜誌《自然通訊》（Nature Communications）上。

此次，研發小組利用被稱為 CH-π 氫鍵的新氫鍵，成功在外形似管的管狀分子中捕獲了外形似碗的碗狀分子。由此發現了納米尺寸的小軸承（圖1）。碗狀分子是名為碗烯的分子，管狀分子由研發小組自主設計和合成，是碳納米管結構的一部分。

圖1：實現單軸旋轉的「碗和管」組成的分子軸承（上圖）

圖1為分子軸承的分子結構，在該結構中，隨著球代表的氫原子（灰色）在碳原子管（紅色）中滑動，中央的碗（藍色）能夠旋轉。氫原子和碳原子的接觸點由名為 CH-π 氫鍵的新氫鍵構成。雖然 CH-π 氫鍵在氫鍵中也屬於相互作用比較弱的，但此次的分子間存在 10個CH-π 氫鍵，因此碗狀分子被牢牢捕獲在管狀分子中（圖2、3）。儘管單個 CH-π 氫鍵的力量很弱，但通過採用多個，其相互作用加在一起，整體就會形成較大的相互作用。