日本奈良先端科學技術大學院大學的Gwénaël Rapenne教授、NAIST-CEMES國際共同研究室及俄亥俄大學的Saw-Wai Hla教授等人組成的聯合研究小組發現，相鄰配置的兩個齒輪狀分子會像真正的齒輪那樣相互齧合並沿相反方向旋轉。此次首次觀測到，即使是分子這樣的超小結構體，也會透過類似於實際機器那樣的機制傳遞旋轉運動。
近年來，針對使分子像超微機器那樣工作的分子機器研究，大多集中在溶液中的分子動作以及基底層上吸附的單個分子的動作上。此次的研究小組一直在研究如何透過控制數量、距離和角度，使分子機器實施具有組織化的結構體，並有望構築多種分子機器統合工作的分子系統。這種分子系統有望應用於可進行奈米級物質傳輸及資訊和能量傳遞的奈米器件。
相關研究論文已於8月20日發表在英國自然出版集團發行的學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）的網路版（URL : https://www.nature.com/articles/s41467-019-11737-1）。
此次Rapenne教授等人利用僅單向旋轉的螺旋槳狀分子馬達，製作了兩個齧合齒輪。螺旋槳狀馬達會像真正的齒輪那樣齧合，同時朝着相反方向旋轉。這也是首次證明機械運動會在實際的分子之間傳遞。
具體來說，使Rapenne教授等人的研究小組此前開發的分子馬達（圖1 (a) 左圖）吸附到金屬基底層上之後，三腳型分子單元以擁有5個苯環的部分爲基礎朝上進行了吸附。透過STM觀察發現，吸附在金屬基底層上的該分子隨着與金屬基底層接觸的基礎部分的5個苯環向右或向左傾斜，使上部的三腳單元形成了螺旋槳狀右轉（P體）或左轉（M體）的結構（圖1 (a) 右圖）。利用STM探針操作螺旋槳部分應答，右轉分子的螺旋槳部分以逆時針，左轉分子的螺旋槳部分以順時針單向旋轉。進行這種單向旋轉是因爲其基礎部分與螺旋槳部分像棘輪一樣工作。
圖1 (a) 分子馬達的化學結構和吸附在金屬基底層上時的概念圖及STM影像
(b)右轉結構的分子馬達逆時針旋轉的STM影像及其概念圖
(c)左卷結構的分子馬達順時針旋轉的STM影像及其概念圖
研究小組還調查了右轉分子馬達和左轉分子馬達在基底層上相鄰配置時的旋轉動作。結果發現，使一側的螺旋槳部分旋轉時，相鄰的螺旋槳部分也會向齒輪那樣齧合着沿相反的方向旋轉（圖2）。這個結果首次表明，「齒輪透過齧合傳遞旋轉運動」這種極爲普遍的現象在奈米尺寸的分子中也能實施。
圖2：接近的右轉（M體）和左轉（P體）分子馬達的螺旋槳相互齧合，朝着相反方向旋轉的STM影像及其概念圖。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
