10月22日，国际学术期刊《自然》以加速发表的形式刊发了物理学院、国家脉冲强磁场科学中心吕京涛教授研究组与以色列魏茨曼科学研究所、丹麦哥本哈根大学、德国奥格斯堡大学等单位合作完成的研究论文“具有电流增强功能的力矩驱动分子机器”（Torque-Driven Molecular Machine Operating as a Current Enhancer）。华中科技大学为论文合作单位，吕京涛教授为共同通讯作者之一，2025届博士毕业生胡柄中同学做出重要贡献。

分子机器广泛存在于生命体内，它可以将其他形式的能量转换为机械动能，从而实现特定的生物功能。基于分子设计可以在更加多样的环境下构建分子机器，2016年诺贝尔化学奖就授予了三位从事此方向研究的科学家。另一方面，手性是自然科学中一个具有基础概念，具有手性的物质无法与其镜像重合，如左手与右手互为相反手性。从基本粒子、分子、DNA双螺旋到天文星系，手性广泛存在于不同尺度的物质体系中。手性结构所诱导的科学问题也延伸至物理、化学、生命科学等领域前沿。2026年诺贝尔化学奖授予手性分子合成相关研究。基于手性结构的分子机器研究也正成为跨学科领域的研究热点。

此研究成果受宏观尺度下阿基米德螺旋结构的启发（图1a），通过将手性螺烯分子悬浮于金电极之间（图1b），首次实现了由电流驱动和控制、具有单一转动方向的手性分子马达。而且，当电压超过一定阈值后，分子马达由步进式转动进入连续转动，导致电流随之增大一到两个数量级（图1c）。吕京涛教授与合作者基于非平衡输运理论，揭示了电子与原子核自由度之间的耦合以及功热转换在此过程中发挥的关键作用。这为在单分子尺度利用电学方法实现物质、能量的定向可控输运提供了新方案。

从阿基米德螺旋到单分子机器

人类对阿基米德螺旋结构的使用已经有两千多年的历史。一方面，转动螺旋可以将水从低处输送至高处；另一方面，自高向低的水流也可驱动螺旋转动用于水力发电。研究团队将这一古老原理“缩小”到单分子尺度，将两端带有硫锚定基团的螺烯分子悬挂在原子级尖锐的金电极之间，并在4.2 K下低温高真空环境中测量其电流—电压关系、电流—时间轨迹等（图1c-i）。研究发现，在较低电压下，电流在三个不同电导态A、B、C之间循环跳变：正向电流下按A→B→C→A循环，改变电流方向循环方向相应反转，从而实现100%的方向选择性（图1j-m）。研究还发现，当电压超过阈值后，电流突然显著上升，最高可增大约两个数量级（图1c）。通过亚埃级精度拉伸或压缩分子来改变电极间距，从而改变螺烯“螺距”，可以调节该阈值。

图1

理论机制：非保守电流诱导力矩驱动转动，转动又增强电流

为什么电流能让分子定向转动？转动又如何使电流大幅增强？吕京涛教授与丹麦、德国的合作者通过理论分析给出了微观机制。电流通过手性分子时，除带来热效应外，还会对分子做功，从而像风力推动风车一样驱动分子定向转动；分子转动过程中又会与周围原子环境相互作用产生摩擦从而带来热量耗散。当电流做功小于摩擦耗散时，分子表现为步进式循环转动；当电流做功超过摩擦耗散时，分子进入连续转动状态。连续转动使分子能够反复访问静止时难以到达的高电导态，从而导致电流显著增强。基于朗之万方程的动力学模拟重现了从步进式转动到连续转动的转变及电流跃升等核心实验现象。

该工作的理论基础来自吕京涛教授十几年的研究积累。他长期从事纳米尺度体系中非平衡输运过程的理论和计算研究，关注其中的功热转换机制及其对体系电学输运性质和构型稳定性的影响；发展了基于半经典朗之万方程的分子动力学方法，系统处理纳米体系非平衡条件下的传热、做功等能量转移过程。正是由于这些前期成果的学术影响，吕京涛教授受邀自2018年起参与此项研究工作，并负责分析电流驱动分子转动的微观机制和电流诱导力矩计算方法的发展，合作团队历时8年完成了此工作。

该研究得到国家重点研发计划（2022YFA1402400）、国家自然科学基金（22273029）等项目的资助。