日本奈良先端科学技术大学院大学的Gwénaël Rapenne教授、NAIST-CEMES国际共同研究室及俄亥俄大学的Saw-Wai Hla教授等人组成的联合研究小组发现，相邻配置的两个齿轮状分子会像真正的齿轮那样相互啮合并沿相反方向旋转。此次首次观测到，即使是分子这样的超小结构体，也会通过类似于实际机器那样的机制传递旋转运动。
近年来，针对使分子像超微机器那样工作的分子机器研究，大多集中在溶液中的分子动作以及基板上吸附的单个分子的动作上。此次的研究小组一直在研究如何通过控制数量、距离和角度，使分子机器实现具有组织化的结构体，并有望构筑多种分子机器协同工作的分子系统。这种分子系统有望应用于可进行纳米级物质传输及信息和能量传递的纳米器件。
相关研究论文已于8月20日发表在英国自然出版集团发行的学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）的网络版（URL : https://www.nature.com/articles/s41467-019-11737-1）。
此次Rapenne教授等人利用仅单向旋转的螺旋桨状分子马达，制作了两个啮合齿轮。螺旋桨状马达会像真正的齿轮那样啮合，同时朝着相反方向旋转。这也是首次证明机械运动会在实际的分子之间传递。
具体来说，使Rapenne教授等人的研究小组此前开发的分子马达（图1 (a) 左图）吸附到金属基板上之后，三脚型分子单元以拥有5个苯环的部分为基础朝上进行了吸附。通过STM观察发现，吸附在金属基板上的该分子随着与金属基板接触的基础部分的5个苯环向右或向左倾斜，使上部的三脚单元形成了螺旋桨状右旋（P体）或左旋（M体）的结构（图1 (a) 右图）。利用STM探针操作螺旋桨部分确认，右旋分子的螺旋桨部分以逆时针，左旋分子的螺旋桨部分以顺时针单向旋转。进行这种单向旋转是因为其基础部分与螺旋桨部分像棘轮一样工作。
图1 (a) 分子马达的化学结构和吸附在金属基板上时的概念图及STM图像
(b)右旋结构的分子马达逆时针旋转的STM图像及其概念图
(c)左卷结构的分子马达顺时针旋转的STM图像及其概念图
研究小组还调查了右旋分子马达和左旋分子马达在基板上相邻配置时的旋转动作。结果发现，使一侧的螺旋桨部分旋转时，相邻的螺旋桨部分也会向齿轮那样啮合着沿相反的方向旋转（图2）。这个结果首次表明，“齿轮通过啮合传递旋转运动”这种极为普遍的现象在纳米尺寸的分子中也能实现。
图2：接近的右旋（M体）和左旋（P体）分子马达的螺旋桨相互啮合，朝着相反方向旋转的STM图像及其概念图。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
