五重对称的碳簇分子齿轮设计及功能开拓

Molecular machine is an emerging research area, focusing on the construction of functional molecules that can exercise some kind of mechanical movement or do work at molecular level. In the field of artificial molecular machine, molecular gear is an important component to realize mechanical transmission. Although it is not difficult for scientists to synthesize molecular gears, the current research on molecular gears still stays at the stage of rotation alone. In order to achieve practicality, it is necessary to assemble individually rotating gears into a transmission system, which is a fundamental issue for the manufacture of more complex molecular machine in the future. Fullerene, represented by C60, is a typical carbon cluster. It is usually used as an important module for the construction of supramolecular assemblies and micro/nano functional materials. Base on the unique structure of the chlorination derivative of small fullerene C50, C50Cl10, a series of fivefold symmetric carbon cluster molecular gears will be designed and constructed at molecular level. We will study the adsorption, orientation and assembly mechanism of the molecular gears on solid surface. The regulation and the controllable rotation mechanism of the carbon cluster molecular gears driven by functional groups attaching on cage will be discussed. C50Cl10 is chosen as a molecular gear model to study the assembly law of molecular gears on solid surface. The studies of this project will provide experimental evidence for the practical application of molecular mechanical components.

分子机器是一个新兴的研究领域，致力于在分子水平构建能行使某种机械运动或对外做功的功能性分子。在人工分子机器领域，分子齿轮是实现机械传动的重要部件。尽管科学家们合成出分子级的齿轮并不是难题，当前对分子齿轮的研究仍停留在单独旋转的阶段，若要达到实用化还需要将多个单独旋转的分子齿轮组装起来，设计成一个传动系统，才能为未来制造更复杂的分子机器奠定基础。以C60为代表的富勒烯是典型的碳团簇，是构建超分子组装体和微/纳米功能材料的重要模块。本项目拟针对小富勒烯C50氯化衍生物C50Cl10的特殊结构，在分子层次上设计、构造一系列五重对称的碳簇分子齿轮，研究分子齿轮在表面的吸附、取向和组装规律，探讨笼外衍生基团对碳簇分子齿轮在表面吸附和可控操纵的功能调控及机制。以C50Cl10为模型，研究碳簇分子齿轮在表面的自组装规律，开拓碳簇分子齿轮的传动功能，为未来制造更复杂的分子机器奠定实验基础。

团簇是介于原子/分子与宏观物质之间的多核聚集体，具有确定的组成原子数和结构，是关联物质微观结构与宏观性质的理想模型。以C60为代表的富勒烯是典型的碳团簇分子，具有独特的三维结构和优异的理化性质，可作为构建超分子组装体和微/纳米功能材料的重要模块。本项目采用笼外氢化衍生化的稳定化策略，通过自行搭建的高通量可控燃烧合成平台和电弧放电装置，以碳氢火焰燃烧法和石墨电弧放电法进行新型碳簇分子的合成，利用分级萃取和高效液相色谱分离相结合的办法，分离得到包括C50H10、C60H8、C64H4、C66H4、C66H8、C68H6、C70H2、C70H4、C70H6在内的多种碳簇分子的氢化衍生物，为碳簇分子新结构的合成及其形成机理研究提供了重要的实验证据，也为碳簇分子的性质研究和功能开拓创造了物质基础。项目研究了氯化富勒烯衍生物C60Cl6在表面的吸附和探针操纵行为，为五重对称碳簇分子成像、组装及可控操纵提供了重要的实验基础。基于C60的“电子缓冲”效应，项目研究了富勒烯促进型催化剂在二氧化碳电还原中的应用，丰富了碳簇分子在催化领域的应用，在其他变价金属的新型催化体系中的应用也值得进一步深入探索和研究开发。