单分子器件为探索纳米尺度电荷传输与化学反应提供了重要平台。然而，长期以来，单分子器件通常依赖在分子末端引入锚定基团以实现与电极的连接，从而形成以线性结构为主的器件架构，在一定程度上限制了器件结构与功能的进一步拓展。

在国家自然科学基金委、北京市自然科学基金和中国科学院的支持下，化学所有机固体实验室臧亚萍研究员课题组基于碳纳米环带分子，首次构筑了环形架构的单分子器件（Sci. Adv.2021,7,eabk3095；Sci. Adv.2022,8,eade4692；Nat. Commun.2023,14,293）。该体系无需传统锚定基团，利用碳骨架曲率诱导的π轨道极化，形成稳定的Au–π键合，显著降低了接触电阻。在外加电场作用下，器件可实现单分子C–C键的可控断裂与开环，展示出优异的结构响应性与可操控特性。这些研究成果为分子电子学引入了全新的环形架构，拓展了单分子器件在几何构型与功能设计上的空间。

最近，臧亚萍课题组进一步研究了分子几何对称性对电子学与化学性质的调控作用，并取得新的进展。该课题组与中国科学院理化技术研究所丛欢研究员、北京大学王永锋教授团队合作，通过调控碳纳米环的对称性构建分子内曲率梯度，以“水滴形”碳纳米环为模型，提出了“曲率调控反应位点”的策略。研究表明，分子内部曲率差异可决定C–C键的断裂位置，为单分子反应在温和条件下的精确控制和器件设计提供了新思路。相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.（J. Am. Chem. Soc.2025,147,40825），共同第一作者为博士生宋旭伟和高佳楠、博士后宋楷和徐翃翔，通讯作者为臧亚萍研究员、丛欢研究员、王永锋教授和博士后宋楷。

曲率诱导的C–C键选择性断裂与单分子器件构筑

同期，该课题组与厦门大学谭元植团队合作，在碳纳米环主链中嵌入芘单元，构建了低对称性环形结构。该设计打破了原有π体系的电子等效性，使分子轨道在空间上发生局域化，并在实验中实现了室温下稳定的三态电导特性。理论计算进一步表明，对称性降低导致电子传输通道离散化，从而实现了室温下的三值逻辑功能。该研究为分子电子学由二值向多值体系的拓展提供了可行路径。相关研究成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed.2025,e19695），共同第一作者为博士生常凯莉、邓青松和博士后宋楷，通讯作者为臧亚萍研究员和谭元植教授。

对称性调控实现单分子器件室温三态开关

上述成果揭示了分子几何对称性与曲率在电子与化学行为调控中的独特作用规律，为构筑具有复杂几何与拓扑特征的新型分子材料和器件拓宽了新思路。

有机固体实验室

2025年11月13日