分子机器普遍存在于自然界中，如ATP合成酶就是一种对生命过程至关重要的分子马达。近几年，研究人员构建了各种人工分子机器，如单方向转动的分子马达等，这构成了未来纳米技术的基础。作为分子机器的关键部件，分子转子吸引了人们的广泛关注。目前，人们已经实现了对分子转子开关状态的控制，然而分子转子在各转动构型的停留时间分布的精确控制仍然是有挑战性的问题。
另一方面，尽管分子转子转动激发方式有多种形式，如电、光和热等，其转动行为总是受转动态能面控制。因此，调节势能面对未来分子转子的可控运动极为重要。然而目前尚缺少对其转动势能面的有效调制方法。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件重点实验室高鸿钧院士领导的研究团队一直致力于功能分子在固态表面上的生长、动态行为及其物性方面的研究。
最近，该研究团队的路红亮博士、博士研究生曹云、戚竞和杜世萱研究员（共同联系作者）等在固体表面单分子转子势能面的可控调制方面取得新进展。他们系统研究了Au(111)表面 (t-Bu)4-NiPc分子在液氮温度下的转动行为。通过低温扫描隧道显微系统测量时间分辨的隧穿电流谱(I-t)，他们发现分子在两个相邻转动构型上的停留时间分布可由针尖-分子间相互作用可控调制。
分析表明针尖下构型的势能随针尖-分子间距离减小而降低。此外，改变样品偏压也可有效调节转动势能。增加样品负偏压导致针尖下构型的势能增大。分子在两个吸附构型间的能量差随针尖高度和样品偏压变化率分别为～0.3 meV/pm 和 ～18 meV/V。另一方面，转动势垒也可得到有效调节。进一步分析表明其势能调控机制为范德华相互作用和分子偶极与电场间静电相互作用。
这一工作为探索外力调控固体表面分子转子的转动势能面提供了新途径。
相关结果发表在Nano Letters上。该工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院的资助。