單分子器件為探索納米尺度電荷傳輸與化學反應提供了重要平臺。長期以來,單分子器件依賴在分子末端引入錨定基團,以實現與電極的連接,從而形成以線性結構為主的器件架構,一定程度上限制了器件結構與功能的拓展。

中國科學院化學研究所等團隊基于碳納米環(huán)帶分子,構筑了環(huán)形架構的單分子器件。該體系無需傳統(tǒng)錨定基團,利用碳骨架曲率誘導的π軌道極化,形成Au–π鍵合,降低了接觸電阻。在外加電場作用下,器件可實現單分子C–C鍵的可控斷裂與開環(huán)。這為分子電子學引入了新的環(huán)形架構,拓展了單分子器件在幾何構型與功能設計上的空間。

團隊進一步研究了分子幾何對稱性對電子學與化學性質的調控作用,通過調控碳納米環(huán)的對稱性構建分子內曲率梯度,以“水滴形”碳納米環(huán)為模型,提出“曲率調控反應位點”策略。研究表明,分子內部曲率差異可決定C–C鍵的斷裂位置,為單分子反應在溫和條件下的精確控制和器件設計提供了新思路。

團隊還在碳納米環(huán)主鏈中嵌入芘單元,構建了低對稱性環(huán)形結構。該設計打破了原有π體系的電子等效性,使分子軌道在空間上發(fā)生局域化,實現了室溫下穩(wěn)定的三態(tài)電導特性。理論計算進一步表明,對稱性降低導致電子傳輸通道離散化,實現了室溫下的三值邏輯功能。

該研究為分子電子學由二值向多值體系的拓展提供了可行路徑,揭示了分子幾何對稱性與曲率在電子與化學行為調控中的作用規(guī)律,為構筑具有復雜幾何與拓撲特征的新型分子材料和器件拓寬了新思路。

相關研究成果分別發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.上。研究工作得到國家自然科學基金委等的支持。

論文鏈接:1、2

曲率誘導的C–C鍵選擇性斷裂與單分子器件構筑

對稱性調控實現單分子器件室溫三態(tài)開關