化學家用多環金屬配合物實現了前所未有的分子三重跳躍

得克薩斯A＆M傑出化學教授John A. Gladysz，解釋了分子陀螺儀中涉及的反動力學。圖片來源：得克薩斯A＆M大學

幾十年來，德克薩斯A＆M大學的化學家John A. Gladysz博士一直將金屬和碳混合在一起，創造出新的分子，從世界上最長的分子導線到由籠子大小控制的微型陀螺儀、分子通路，甚至是通過外部電場操縱實現單向旋轉的進展。

在最近的一項研究中，Gladysz和他的研究小組研製出一種新型的分子旋翼，作為一種能夠在原子和亞原子水平上操縱物質並改變多個化學分支的功能性分子機器，有望在未來影響無數相關的部門和行業。

德克薩斯A＆M化學博士候選人Andreas Ehnbom和SugamKharel，博士後研究員Tobias Fiedler博士和Hemant Joshi博士以及擔任國家科學基金會資助的合作者的X射線衍射實驗室助理經理NattamaiBhuvanesh加入Gladysz團隊，詳細介紹了本周的「美國化學學會雜誌」的封面故事。

Gladysz小組使用了2005年被授予諾貝爾化學獎認可的一種名為烯烴複分解的方法，該方法用於合成一系列具有大環配體的鉑配合物。這種配體可以在構象變化中翻轉核心鉑原子，讓人聯想到雙荷蘭繩索跳躍。研究人員克服了重大的合成挑戰，並實現了前所未有的集中在核心旋轉上，引起三軸滑行跳躍的分子運動。

除了使用各種物理方法表徵新分子外，研究人員還使用分子模擬實驗室（LMS）提供的計算方法以及德克薩斯A＆M高性能研究計算的超級計算和數據分析技術來進一步了解這些分子運動的過程。

Ehnbom說：「之前已經報道了類似的化合物，但只有一個大環。」除了Gladysz之外，Ehnbom還與Texas A＆M理論化學家和LMS主任Michael B. Hall博士合作。

「我們有三個環，因此可以實現"三跳繩"機制，這是前所未有的，」Joshi補充道。

具有可控運動的微小結構，並且將能量添加到反應中時可以執行各種任務分子機器，作為2016年諾貝爾化學獎主題取得了重大進展和並登上了新聞頭條。由於分子機器功能多樣，這些裝置可以應用於分子開關和電機分子，同時也可應用於製造納米電子設備，納米機電系統（NEMS）和藥物輸送系統，在化學，材料科學和醫學中具有潛在的應用前景。

Gladysz說「科學家們已經開始研究可以長時間控制運動的分子結構的合成，正如2016年諾貝爾獎所證明的那樣，這將是一個越來越活躍的研究領域。使用這些分子，應該有可能設計和開發出能夠在原子水平上操縱物質的功能性分子機器，這將是革命性的。我們還遠未實現這一目標，但現在，我們距離這一目標更近了一步。」

Ehnbom指出，下一步的重要任務是弄清楚如何控制這些化合物的運動。與現實生活中的發動機和電機不同，目前這些化合物的運動是隨機的。該團隊計劃使用最先進的計算模型來模擬這種旋轉，從後續的轉子到實驗，進一步完善他們的設計，從而更好地了解控制它的因素。畢竟，未來以及可行的應用取決於它。

「如果研究人員能夠成功合成功能性分子機器，它在分子水平運輸，體內藥物輸送，微觀結構操作，化學品合成，數據處理和儲存方面應用的可能性將是無窮無盡的」剛剛完成德克薩斯A＆M博士學位凱瑞爾說。

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