DOI: https://doi.org/10.1038/s41557-022-00917-0
分子運動的控制是幾乎所有應用驅動的化學領域的基礎，隨着分子開關、轉子、步行器、陀螺儀或泵，尤其是分子馬達的發展，這項工作取得了實質性進展。然而，目前進一步發展面臨的一個長期挑戰是以最高精度整合、傳輸和平移分子運動。由於「布朗風暴」的存在，在分子尺度上定義的運動是非常有效的平衡和隨機的。因此，在納米尺寸下，遠距離耦合和放大、將一個已定義的運動轉換為另一個運動都是本徵的挑戰。分子齒輪系統能夠以相關方式整合多個運動，以將運動從一個位置轉換到另一個位置，並改變它們的速度和方向。到目前為止，已經開發出機械控制的分子系統，從更簡單的分子制動器到真正的齒輪傳動系統，在這些系統中，不同的分子片段或實體由於緊密的相互嚙合而協同運動。最近報道了以開/關的方式切換傳動裝置從而控制特定子運動的速度。然而，迄今為止提出的功能齒輪傳動系統並不是由能源直接驅動的，它們的運動是熱波動的結果，本質上是被動和無方向的，目前缺乏在分子尺度上實現主動驅動齒輪運動的有效方法。
1.本文提出了一個新的概念，使用能源驅動的分子齒輪。以可見光作為能源，光齒輪半硫靛（HTI）在納米級上積極推動不同的齒輪傳動過程。2.與熱齒輪傳動過程不同，光齒輪傳動是分子框架內的主導運動。同時，180°雙鍵異構化轉化為120°單鍵旋轉是通過所採用的錐齒輪機制實現的，該分子系統展示了高度挑戰性精確移動（全旋轉時兩步到三步）以及動力運動的空間重新定向（120°角度）的運動特徵。
▲圖1.已報道的分子齒輪傳動系統和同步運動與光齒輪傳動的比較
要點:已報道的功能齒輪傳動系統並不是由能源直接驅動的，它們的運動是熱波動的結果，而光齒輪傳動是一種在分子尺度上實現主動驅動齒輪運動的有效方法。
要點1：在熱激活下，黑暗中三聯烯片段單一的單鍵旋轉（SBR）將導致異構體A和rac-B之間或異構體C和rac-D之間的相互轉換。要點2：在熱激活下，僅存在圍繞三聯烯軸的滑動運動，三聯烯和硫靛片段之間不存在耦合齒輪運動。
要點1：馬爾可夫矩陣動力學分析結果明確地顯示了Z型和E型異構體的顯著光齒輪效應。在E型的異構體C和rac-D中，光電效應更加明顯，滑動運動顯著減少。尤其是異構體C，光齒輪傳動實際上是其主要的過程。要點2：滑動運動在Z構型異構體中占主導地位，導致異構體A和rac-B中出現明顯的單一雙鍵異構化（DBI）和SBR。儘管如此，也觀察到了明顯的光電運動傾向，其中中心雙鍵和連接到三疊烯片段的相鄰單鍵同時分別旋轉180°和120°。要點3：起始幾何結構對光齒輪傳動的有效性具有重要的影響，E型異構體的顯著光電選擇性可部分歸因於三疊烯囊中羰基的更好嚙合。對於Z型異構體，可解釋為硫原子在硫靛和三蝶烯片段之間建立的較差嚙合。然而，電子效應也可能發揮重要作用，因為光齒輪中的空間位阻和嚙合顯然不足以讓熱傳動產生任何影響。
本文展示了一個獨特而有力的概念，即光齒輪傳動，用於積極推動分子運動的精確轉換。通過光傳動，可以使用光作為外部能源，在納米尺度上建立有效且主動的傳動運動。這項工作為操縱精確的分子運動提供了一種獨特的方法，並為創造未來集成納米機械開闢新的可能性和設計概念。
https://doi.org/10.1038/s41557-022-00917-0
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