传球与接球是很多球类运动的基本功，一人发力将球传出，队友卸力稳稳将球接住，只要不失误，就能打出漂亮的进攻或防守。如果把球的体积缩小到分子级别，单个分子的运动能不能像传球与接球一样精确地控制？

传球与接球的……失误……图片来源于网络

这很难办吧……估计不少人都会这么想，因为大家都知道原子级别的运动基本上都遵循随机原则。的确，在表面上原子和分子的热诱导扩散通常是一个随机过程，包含原子表面晶格上不相关的跃动。也就是说，分子在表面上热运动的主要形式，就是从一个晶格“跳”到相邻晶格，距离有限，方向随机。热运动不能指望，那么有人可能会想到使用扫描隧道显微镜（STM）针尖来诱导分子的位移，不过在目前的报道中，STM诱导的单分子的受控位移距离都很短，通常也是从一个晶格跳到相邻晶格，再长一点的也不过几个纳米，且方向控制也成问题。

近日，奥地利格拉茨大学Leonhard Grill课题组的一个意外发现，可能为单分子在表面上的受控长距离运动找到了新的思路。在超高真空和低温下（＜7 K），他们使用STM针尖操纵二溴三芴（DBTF）分子在原子级平坦的Ag(111)表面上旋转，在一个特殊的稳定取向下，DBTF单分子表现出意料之外的高移动能力，可在Ag(111)表面上以0.1 Å的极高空间精度单方向长距离移动（长达150 nm）。而且，通过施加电场产生静电力，可以选择性地排斥和吸引单分子，从而实现在两个探针之间单个特定分子的精确移动。这一过程非常类似于两个球员之间的精准传球。相关工作被选为当期Science 封面文章。

当期封面。图片来源：Science

Leonhard Grill课题组最初设计DBTF这个分子（下图A），是为了在金属表面上生长分子线（Science, 2009, 323, 1193–1197）。在使用STM操纵技术研究平坦Ag(111)表面上分子取向对其扩散性能的影响时，他们意外发现，当DBTF分子在Ag(111)表面上旋转至某一特殊取向（）时，在STM图像中会显示出一条贯穿整个图像的直线（如下图D，以下称“直线”），有意思的是，当他们继续扫描相邻区域（下图D上方或下方区域），这条直线依然存在而且方向丝毫没有改变。这引起了研究者的好奇，这条直线怎么产生的？为什么同样条件下其他取向的分子保持几乎静止的状态（下图C、D）？

可移动的DBTF分子。图片来源：Science

研究表明，这条“直线”实际上是特殊取向下移动能力大幅增加的DBTF分子的一种表现。它们在一个方向上可以高速移动，但在空间上却局限于另一个方向上的一个原子行。换句话说，Ag(111)表面上的一行原子就像是一条轨道，DBTF分子在其上可以沿着轨道快速移动，但不会脱轨。在STM扫描过程中，每当针尖从这条“轨道”上经过时，针尖之下就会吸引一个DBTF分子，从而在STM图像上表现为一条明亮的“直线”。不管扫描方向如何改变，该“直线”总是会出现在表面相同的位置。

不同方向快扫描下发现“直线”存在周期性内部结构。图片来源：Science

这一发现为什么重要？DBTF分子的这种定向高速移动发生在原子级平坦的Ag(111)表面上，扩散势垒非常低，几乎可以视为各向同性。而其他实现分子定向扩散的研究，表面上都存在各向异性的扩散势垒，比如使用硫醇linker来引导分子的单向“步行”（Phys. Rev. Lett., 2005, 95, 166101）。

为什么是DBTF分子呢？一方面由于其是线性分子，另一方面，两端的溴原子与银表面的相互作用增大了旋转势垒，而在特定角度下发生一维平移的势垒相对更低，这使得该分子可以保持在预定的平移“轨道”上，不会发生旋转“脱轨”。而去掉两端溴原子的三芴（TF）分子，在移动过程中则会自发的改变方向。

DBTF和TF分子。图片来源：Science

当特殊取向的单个DBTF分子被STM的针尖吸引，就可以在Ag(111)表面上实现了长距离的直线可控移动。从下图区域I定向移动到区域II，移动距离长达150 nm。别小瞧这个距离，DBTF分子的长度仅有约2 nm，分子在Ag(111)表面的定向移动距离是自身长度的75倍。

单分子的长距离受控位移。图片来源：Science

在不同偏压条件下，STM针尖对分子可以呈现吸引力或者排斥力，其作用力来自静电作用。因此，控制两个STM针尖一排斥一吸引，就可以让DBTF分子在两个STM针尖之间实现直线双向移动。单分子可以在150 nm的距离内“发送”或“接收”。类似于两个高水平球员之间的相互精准传球。

偏压决定了分子与STM针尖的吸引或排斥。图片来源：Science

研究者还测了DBTF单分子移动的速度。DBTF分子在两个STM针尖之间移动49 nm的时间不到2 ms，因此，研究者估计单分子的速度下限为25 μm/s，实际速度可能要比这个大得多。此外，单分子移动的横向精度非常高，约为0.1 Å，即STM的横向分辨率。也就是说，单分子的移动轨迹是一条非常直的直线。

单分子“发送”与“接收”及移动速度测定。图片来源：Science

通过提高STM的时间分辨率，可以测量不同表面上不同分子运动的绝对速度，并使分子运动与化学和结构性质直接相关。除了精确的空间位置外，这些实验还可以确定动量和动能，测量扩散过程中或单分子与其他吸附质碰撞后的能量耗散，进一步研究分子扩散的机理。另外，分子的高精度双向移动，也为未来分子编码、解码以及高空间精度的“分子电报”传输提供了可能^[1]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Control of long-distance motion of single molecules on a surface

Donato Civita, Marek Kolmer, Grant J. Simpson, An-Ping Li, Stefan Hecht, Leonhard Grill

Science, 2020, 370, 957-960, DOI: 10.1126/science.abd0696

参考文献：

[1] Molecular Telegraphy

https://news.uni-graz.at/en/detail/article/molekulare-telegraphie/

（本文由小希供稿）