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构象异构性是材料性能和生物分子活性的重要决定因素，对功能材料的设计和生物学过程的理解起着关键作用。与传统的分子材料相比，调控分子的构象变化可以显著改变其反应性、选择性、电子传输以及光物理性质等特性。然而，由于分子构象常处于热平衡状态，难以精确控制，这为研究分子内旋转和构象变化带来了巨大挑战。尤其是在多苯基系统中，构象异构化过程受到多个旋转模式的影响，涉及复杂的分子内旋转，这使得对这些动态过程的表征更加困难。针对这一问题，北京大学郭雪峰教授团队、美国国家科学院院士、中国科学院外籍院士、加州大学洛杉矶分校的Kendall N. Houk教授以及山东大学李延伟教授等人携手在Science Advances期刊上发表了题为“Emergent complexity of quantum rotation tunneling”的最新论文。该团队设计并制备了基于石墨烯的单分子接头，利用高时间分辨率和电流分辨率的电学测量技术，成功实现了对单分子芳香链构象变化的实时监测。研究表明，低温下苯环的旋转过程主要受到量子旋转隧穿效应的主导，而非准自由旋转过程，揭示了分子内复杂的旋转模式。通过系统的温度依赖性测量，研究人员发现了一个具有两个三苯基基团的芳香分子的三种离散的亚稳态，并进一步阐明了偏压电压依赖性测量中分子内量子旋转的复杂性。该团队的研究为单分子构象变化提供了全新的观测视角，展示了如何通过电学检测深入理解分子内旋转的复杂性。利用量子旋转隧穿效应和无弹性电子隧穿耦合，成功揭示了分子内旋转的单向性和多体旋转动态。这些成果不仅为理解分子结构与性能之间的关系提供了新的理论依据，也为高性能分子材料的精准制备和功能调控开辟了新的研究方向。
（1）实验首次通过原位电气监测，实时跟踪单个芳香链在石墨烯电极中共价嵌入的旋转动态，获得了单事件分辨率的量子旋转隧穿效应的观察结果。（2）实验通过温度依赖性测量，揭示了一个具有两个三苯基基团的芳香分子在不同温度下的三个离散亚稳态，结果显示量子旋转隧穿效应主导了分子内旋转过程。（3）实验通过偏压电压依赖性测量，研究了分子内量子旋转的复杂性，发现分子旋转的动态过程受无弹性电子隧穿（IET）耦合的影响，进一步澄清了单向旋转的机制。（4）实验揭示了从一个到两个三苯基基团的分子内旋转复杂性，表明了分子内多个旋转模式及其相互作用的复杂性，这为理解单分子构象异构化提供了新的视角。图3. 在80 K下，偏压电压（20至54 mV）依赖性测量中分子内量子旋转的复杂性。图4. 在80 K下，偏压电压（60至74 mV）依赖性测量中分子内量子旋转的复杂性。本研究为分子内旋转及其动态行为提供了深入的理解，揭示了分子构象变化中的量子旋转隧穿效应及其与外部能量的耦合关系，突破了传统宏观测量中的平均效应掩盖问题。通过在石墨烯电极对中构建单分子接头，实现了单分子尺度上对旋转动态的实时监测，为量子旋转隧穿的探索提供了可靠平台。此外，研究还展示了在低温下，分子旋转过程受隧穿速率控制，偏压电压则进一步引发了旋转模式的复杂性，包括单向旋转、两侧交叉旋转及多模式旋转的交替延迟现象。这些发现不仅拓宽了我们对分子内旋转行为的认识，也为设计具有精确调控功能的分子材料提供了新的思路。未来，通过进一步调控单分子尺度上的构象变化，有望实现对分子材料性能的精准控制，并推动纳米科技和分子电子学的发展。这一研究成果有望为材料科学、量子计算及分子传感等领域带来突破性进展。Yilin Guo et al. ,Emergent complexity of quantum rotation tunneling.Sci. Adv.11,eads0503(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads0503🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
