npj: 分子打工时也会偷懒？你得给它点压力：npj:分子打工时也会偷懒？你

原标题：npj:分子打工时也会偷懒？你得给它点压力
npj:分子打工时也会偷懒？你得给它点压力

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有一类特殊的有机分子，它们的某些基团会周期性地转动，称为分子转子。分子转子广泛存在于生物体中，如ATP合酶、细菌的鞭毛等，能够在微纳尺度实现化学能到机械能的转换。自然而然地，人们希望利用分子转子实现更多的功能，如光电与机械能的转换、纳米尺度分子电路等。天然的分子转子结构复杂，其制备、改造和控制都比较困难，于是研究人员尝试合成人造分子转子，自下而上地设计制造特定功能的分子转子：有的可以作为“马达”或者“螺旋桨”驱动整个分子前进；有的可以通过转动改变分子构型影响其导电性，从而作为分子开关。分子马达跑得有多快、分子开关的开关频率能有多高，都决定于分子转子的转动速度。一方面，分子转子要转得足够快，才能匹配现有光电器件的频率；另一方面，分子转子也需要长时间保持稳定的状态，不会因热扰动而“晕头转向” 。然而，分子转子本身只具有一个固定的转动速度，应该如何调控，使其进可高速旋转，退可纹丝不动？

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来自中山大学物理学院的郑跃教授团队设计了一系列具有不同电极性基团的分子转子，并研究了这些基团转动速度的力学可控性。在所研究的体系中，电极性基团的转动速度最高可以跨越19个数量级的范围，使得分子转子在“停”和“转”之间无缝切换。该研究利用密度泛函理论计算了分子转子在外加力学载荷下的结构变化和电极性基团的转动能垒，发现电极性基团的转动能垒随外界压力的增加而迅速减小。能垒是基团转动的障碍，能垒越小，转动速度就越高，因此转动速度随外界压力的增加而迅速提高。换言之，分子转子转动速度慢，可以定向加压来提高其转动速度。并且转动能垒和速度的变化是可逆的，即通过压力的调节，分子转子能够在“停”和“转”之间反复切换。研究结果揭示了转动速度变化是定向的力学载荷极调控电极性基团空间取向的结果，并且同一个分子转子中的两个电极性转子存在耦合从而趋向同步。利用电极性基团转动所产生的不同状态，该研究通过模拟实现了一种力学调控的多态分子“存取器”：增加压力减小转动能垒从而易于分子转子的电极性状态的改变，撤去压力增大能垒从而保持现有的电极性状态。这一研究为有效调控分子转子的转速提供了崭新的思路。

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Molecularrotorswithdesignedpolarrotatinggroupspossessmechanics-controllablewide-rangerotationalspeed
JianShao,WenpengZhu,XiaoyueZhang&YueZheng
Molecularrotorswithcontrollablefunctionsarepromisingformolecularmachinesandelectronicdevices.Especially,fastrotationinmolecularrotorenablesswitchablemolecularconformationsandchargetransportstatesforelectronicapplications.However,thekeytomolecularrotor-basedelectronicdevicescomesdowntoatrade-offbetweenfastrotationalspeedandthermalstability.Fastrotationinmolecularrotorrequiresasmallenergybarrierheight,whichdisablesitscontrollabilityunderthermalexcitationatroomtemperature.Toovercomethistrade-offdilemma,wedesignmolecularrotorswithco-axialpolarrotatinggroupstoachievewide-rangemechanicallycontrollablerotationalspeed.Theinterplaybetweenpolarrotatinggroupsanddirectionalmechanicalloadenablesa“stop-go”systemwithawide-rangerotationalenergybarrier.Weshowthroughdensityfunctionalcalculationsthatdirectionalmechanicalloadcanmodulatetherotationalspeedofdesignedmolecularrotors.Atatemperatureof300K,thesemolecularrotorsoperateatlowrotationalspeedinnativestateandacceleratestremendously(upto1019)undermechanicalload.

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