相互竞争的量子相互作用使单个分子能够站起来

纳米级机械有很多用途，包括药物输送、单原子晶体管技术或内存存储。然而，机器必须在纳米级组装，这对研究人员来说是一个相当大的挑战。

对于纳米技术工程师来说，最终目标是能够在纳米尺度上逐个组装功能机械。在宏观世界中，我们可以简单地抓取物品来组装它们。不再“抓住”单个分子并非不可能，但它们的量子性质使它们对操纵的反应不可预测，限制了一个一个地组装分子的能力。由于德国亥姆霍兹学会 Jülich 研究中心领导的国际努力，包括华威大学化学系的研究人员，这一前景现在离现实更近了一步。

在今天(2021 年 11 月 10 日)发表在《科学进展》杂志上的论文“固定分子的稳定潜力”中，一个国际研究小组已经能够揭示单个固定分子的一般稳定机制，该机制可以用于在表面三维分子器件的合理设计和构建中。

扫描探针显微镜 (SPM) 使分子尺度制造的愿景更接近现实，因为它提供了重新排列表面原子和分子的能力，从而允许创建不会自发形成的亚稳态结构。使用 SPM，Christian Wagner 博士和他的团队能够与表面上的单个常设分子苝四羧酸二酐 (PTCDA) 相互作用，以研究分子将不再稳定并回落的热稳定性和温度进入其自然状态，在那里它平坦地吸附在表面上。该温度为 -259.15 摄氏度，仅比绝对零温度点高 14 度。

与华威大学化学系 Reinhard Maurer 博士合作进行的量子化学计算能够揭示分子的微妙稳定性源于两种强大的抵消量子力的竞争，即来自表面和由分子和表面之间的锚点产生的短程恢复力。

华威大学化学系的 Reinhard Maurer 博士评论说：“防止分子倒塌的相互作用平衡非常微妙，对我们的量子化学模拟方法来说是一个真正的挑战。除了教我们基本的稳定这种不寻常的纳米结构的机制，该项目还帮助我们评估和改进我们方法的能力。”

Jülich 研究中心 Peter Grünberg 量子纳米科学研究所 (PGI-3) 的 Christian Wagner 博士评论说：“为了在技术上利用单个分子迷人的量子特性，我们需要找到正确的平衡：它们必须固定在一个表面，但不要将它们固定得太牢固，否则它们会失去这些特性。在这方面，站立的分子是理想的。为了测量它们的实际稳定性，我们不得不用锋利的金属针和时间一遍又一遍地把它们竖起来它们在不同温度下能存活多久。”

既然产生稳定分子的相互作用是已知的，未来的研究可以致力于设计更好的分子和分子表面连接来调整这些量子相互作用。这可以帮助提高稳定性和温度，分子可以在此温度下转换成直立阵列以达到可行的条件。这就提出了一个前景纳米制造的机械在纳米级。