相互競爭的量子相互作用使單個分子能夠站起來

納米級機械有很多用途，包括藥物輸送、單原子晶體管技術或內存存儲。然而，機器必須在納米級組裝，這對研究人員來說是一個相當大的挑戰。

對于納米技術工程師來說，最終目標是能夠在納米尺度上逐個組裝功能機械。在宏觀世界中，我們可以簡單地抓取物品來組裝它們。不再“抓住”單個分子并非不可能，但它們的量子性質使它們對操縱的反應不可預測，限制了一個一個地組裝分子的能力。由于德國亥姆霍茲學會 Jülich 研究中心領導的國際努力，包括華威大學化學系的研究人員，這一前景現在離現實更近了一步。

在今天(2021 年 11 月 10 日)發表在《科學進展》雜志上的論文“固定分子的穩定潛力”中，一個國際研究小組已經能夠揭示單個固定分子的一般穩定機制，該機制可以用于在表面三維分子器件的合理設計和構建中。

掃描探針顯微鏡 (SPM) 使分子尺度制造的愿景更接近現實，因為它提供了重新排列表面原子和分子的能力，從而允許創建不會自發形成的亞穩態結構。使用 SPM，Christian Wagner 博士和他的團隊能夠與表面上的單個常設分子苝四羧酸二酐 (PTCDA) 相互作用，以研究分子將不再穩定并回落的熱穩定性和溫度進入其自然狀態，在那里它平坦地吸附在表面上。該溫度為 -259.15 攝氏度，僅比絕對零溫度點高 14 度。

與華威大學化學系 Reinhard Maurer 博士合作進行的量子化學計算能夠揭示分子的微妙穩定性源于兩種強大的抵消量子力的競爭，即來自表面和由分子和表面之間的錨點產生的短程恢復力。

華威大學化學系的 Reinhard Maurer 博士評論說：“防止分子倒塌的相互作用平衡非常微妙，對我們的量子化學模擬方法來說是一個真正的挑戰。除了教我們基本的穩定這種不尋常的納米結構的機制，該項目還幫助我們評估和改進我們方法的能力。”

Jülich 研究中心 Peter Grünberg 量子納米科學研究所 (PGI-3) 的 Christian Wagner 博士評論說：“為了在技術上利用單個分子迷人的量子特性，我們需要找到正確的平衡：它們必須固定在一個表面，但不要將它們固定得太牢固，否則它們會失去這些特性。在這方面，站立的分子是理想的。為了測量它們的實際穩定性，我們不得不用鋒利的金屬針和時間一遍又一遍地把它們豎起來它們在不同溫度下能存活多久。”

既然產生穩定分子的相互作用是已知的，未來的研究可以致力于設計更好的分子和分子表面連接來調整這些量子相互作用。這可以幫助提高穩定性和溫度，分子可以在此溫度下轉換成直立陣列以達到可行的條件。這就提出了一個前景納米制造的機械在納米級。