The Chen Group
近日，浙江大学化学系陈洪亮教授与黄飞鹤教授团队在分子力电子学领域取得重大突破。研究团队创新性地提出将**能量耗散结构**作为分子器件的核心设计原则，成功设计并合成了一种柱[6]芳烃类环芳烃（PLC）大环分子。该分子能像"分子减震器"一样，通过其柔性骨架中非共价相互作用的动态断裂与重组，有效耗散外界机械能。基于此构建的单分子结，不仅能承受高达6 Å的机械拉伸，更能在拉伸/压缩过程中稳定地呈现三个不同的导电态，实现了**可编程的多态力学开关**功能。该工作从原理上解决了传统力电器件在循环外力下因能量积累而导致键断裂或性能衰退的顽疾，为发展高耐久性、智能响应的分子机器与柔性电子器件奠定了全新的理论基础。相关成果以"Tunable Multistate Mechanoresistance in a Single-Molecule Junction Incorporating Energy-Dissipative Structures"为题，发表于国际顶级学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
分子力电子开关是一类能够通过机械刺激（如拉伸、压缩）来调制其电荷传输特性的纳米器件，在智能材料、柔性电子和纳米机电系统等领域前景广阔。然而，其实用化面临一个根本性挑战：**机械稳定性**。
传统的设计策略主要集中于两类：一是调控**分子-电极界面耦合**，通过改变锚定基团与电极的连接强度来实现电导切换；二是利用**分子构象重排**，通过外力诱导分子骨架发生扭转或滑动来改变电子传输路径。然而，这两种策略都存在固有局限：在反复的机械循环中，外部输入的能量会不断积累，最终导致界面化学键的不可逆断裂（对于前者）或分子骨架因"机械疲劳"而发生不可逆的结构漂移（对于后者）。如何让分子器件在动态工作中"消化"掉外界机械能，而非"硬扛"，成为领域内亟待解决的核心科学问题。
受宏观工程中"减震器"或"sacrificial unit"（牺牲单元）概念的启发，研究团队首次提出将**能量耗散**作为分子力电器件的核心设计原则。他们设计并合成了一种结构独特的柱[6]芳烃类环芳烃（PLC）大环分子。该分子的骨架并非刚性棒状，而是由两个间位连接的苯环单元和四个对位连接的1,4-二甲氧基苯单元构成的柔性大环，两端以氨基（–NH₂）作为金电极的锚定基团。
该设计的精髓在于：当外力拉伸分子结时，PLC的柔性大环骨架能够发生显著的形变。这一形变过程并非简单地拉伸化学键，而是伴随着大环内部大量**非共价相互作用**（如芳环间的色散力）的断裂与重组。这个过程就像拉松一个绳结网络，需要消耗能量，从而将集中的机械应力有效分散和耗散在整个分子骨架上，避免了应力全部集中于脆弱的电极-锚定基团界面。这种内在的"耗能"机制，正是器件获得超高机械耐受性和多稳态能力的关键。
利用扫描隧道显微镜断裂结（STM-BJ）技术，研究人员对PLC分子进行了系统的电学表征。与具有刚性π共轭骨架的对照分子DPA相比，PLC展现出截然不同的行为：
惊人的拉伸性：PLC分子结在断裂前最大可被拉伸约1.8 nm，其**有效伸长量（ΔL）比刚性DPA分子高出约0.5 nm（38%）**。这直观证明了PLC大环骨架通过形变耗散能量，保护了界面连接。
清晰的三导电态：在拉伸过程中，PLC的电导并非平滑下降，而是呈现出三个相对稳定的平台态，对应三个特征电导值：**态1（~10⁻⁴·⁴ G₀）、态2（~10⁻⁵·⁵ G₀）和态3（~10⁻⁶·¹ G₀）**。而刚性DPA分子仅有一个稳定态，随后便因界面断裂而电导骤降。
可逆与可编程切换：通过压电陶瓷精确控制针尖进行"0 Å → 3 Å → 6 Å"的程序化拉伸与压缩，PLC分子结能够可逆、稳定地在三个态之间切换，开关比明确（态1↔2 ≈ 10⁰·⁵，态1↔3 ≈ 10¹·³）。这演示了其作为**三进制机械存储器**或**多态逻辑开关**的应用潜力。
为了深入理解微观机制，团队进行了系统的理论计算。非共价相互作用（NCI）分析直观显示，随着PLC被拉伸，大环内部的色散相互作用区域（绿色等值面）发生动态演变，从一种稳定构型（态1）经中间态（态2）转换至另一种稳定构型（态3），清晰地描绘了能量通过非共价作用重组而被耗散的路径。
更巧妙的是，传输谱计算发现，在中间**态2**，由于分子构象变化导致的前沿轨道与电极费米能级对齐，产生了一个**共振传输峰**。这意味着，在能量耗散的结构重组过程中，不仅没有损害电学性能，反而在某一中间态"意外"地获得了电导增强的效应。散射态分析证实，该共振态源于分子与电极间增强的杂化作用。这揭示了能量耗散结构与电子传输特性之间存在着积极的、可协同优化的关系。
此项研究的意义超越了单个器件的实现，它确立了一种全新的分子电子器件设计范式：
提出核心新原则：首次明确将"**能量耗散**"提升为设计与高性能、高耐久性分子力电器件的核心原则，为解决机械稳定性这一长期瓶颈提供了普适性思路。
实现功能新突破：成功创造了兼具**大应变范围**（>6 Å）和**稳定多稳态**的可编程单分子力电开关，为多值存储、机械传感和自适应电路提供了理想的分子基元。
揭示机制新关联：通过理论与实验结合，阐明了柔性大环骨架通过非共价相互作用的动态变化耗散机械能、并同时调控量子传输的微观物理图像，实现了结构柔韧性与功能鲁棒性的统一。
陈洪亮教授指出："传统思路总是试图让分子'更强壮'来抵抗外力，而我们反其道而行之，让分子学会'以柔克刚'，通过主动耗散能量来保护自己。这项研究就像为分子世界引入了'减震系统'，让分子器件能够承受更剧烈的机械操作而不'受伤'，这对其走向实际应用至关重要。"
黄飞鹤教授表示："柱芳烃这类大环主体的构象灵活性非常适合作为能量耗散单元。这项工作展示了超分子化学在解决前沿电子学难题中的强大能力，通过精巧的分子设计，将机械能转化为了可控的电信号与结构变化。"
资助信息：本研究得到了国家自然科学基金（22273085, T2422020, T24B2016），浙江省自然科学基金（LZ24B020004, LR25B020001），中央高校基本科研业务费（226-2024-00014），以及北京分子科学国家研究中心（BNLMS2023010）的资助。
致谢：作者感谢浙江大学AI+高性能计算中心和浙江大学化学仪器中心的技术支持。
论文链接： P. Zhou, J. Cao, K. Cheng, B. Hua, F. Huang*, H. Chen*. Tunable Multistate Mechanoresistance in a Single-Molecule Junction Incorporating Energy-Dissipative Structures. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202514423. https://doi.org/10.1002/anie.202514423
文 字：陈洪亮研究员课题组
编 辑：浙江大学化学系新闻中心
Hongliang Chen | Principle Investigator
Department of Chemistry
Zhejiang University
No. 733, Jianshe 3rd Road, Xiaoshan District
Hangzhou, Zhejiang Province, China
Email: hongliang.chen@zju.edu.cn
Hongliang Chen Research Group