阅读说明：本技术 一种水超分子马达的制备方法 (Preparation method of water supermolecule motor ) 是由 孙凯 王俊忠 陶敏龙 涂玉兵 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水超分子马达的制备方法,其包括如下步骤：S1,利用低温导电银胶将高定向裂解石墨粘到导电金属板上,除气,然后在温度为90~110K的条件下利用微漏阀将水分子原位沉积到高定向裂解石墨表面,自组装形成水团簇和水分子链；S2,将吸附有水分子的石墨样品移入扫描隧道显微镜中,工作环境为超高真空,温度为77 K,将扫描隧道显微镜的针尖置于水团簇上方,施加一个电压脉冲将隧穿电子注入到水团簇中,形成负电水团簇；S3,负电水团簇通过静电作用吸引一个水分子链,水分子链在隧穿电子的驱动下围绕负电水团簇做顺时针或逆时针转动,得到以负电水团簇作为定子、水分子链作为转子的水超分子马达。其能够实现在固体表面制备水超分子马达。(The invention discloses a preparation method of a water supermolecule motor, which comprises the following steps of S1, adhering highly oriented cracked graphite to a conductive metal plate by using low-temperature conductive silver adhesive, degassing, depositing water molecules on the surface of the highly oriented cracked graphite in situ by using a micro-leakage valve under the condition that the temperature is 90 ~ 110K, forming a water cluster and a water molecule chain by self-assembly, S2, moving a graphite sample adsorbed with the water molecules into a scanning tunnel microscope, wherein the working environment is ultrahigh vacuum, the temperature is 77K, a needle point of the scanning tunnel microscope is placed above the water cluster, and a voltage pulse is applied to inject tunneling electrons into the water cluster to form a negative electric water cluster, S3, the negative electric water cluster attracts a water molecule chain through electrostatic interaction, and the water molecule chain rotates clockwise or anticlockwise around the negative electric water cluster under the driving of the tunneling electrons, so that the water supermolecule motor taking the negative electric water cluster as a stator and the water molecule chain as a rotor is obtained.)

一种水超分子马达的制备方法

技术领域

本发明涉及分子马达的制备，具体涉及一种水超分子马达的制备方法。

背景技术

分子马达是一种能够将外部能量（热能、化学能、光能或电能）转换成定向运动或转动的纳米机器。根据工作环境的不同，分子马达可分为溶液中的分子马达和固体表面上的分子马达。在自然界中，大多数分子马达都工作在界面附近，因此固体表面安装的分子马达一直是纳米科学的研究热点。

在生命科学领域，生命体的一切活动都是通过具有马达功能的蛋白质大分子做功推送来维持，如肌肉收缩、物质运输、细胞***、DNA复制等等，而水又是生命体维持生命活动不可缺少的物质，因此制备水超分子马达并研究其内在机制，对进一步认识和了解生命体活动的内在机制有着极其重要的意义。

到目前为止，人们已经在固体表面制备出了多种分子马达，包括苯硫酚在Cu(111)表面的转动、硫醚分子在Cu(111)衬底上的转动、正丁基甲基硫醚(BuSMe)在Cu(111)表面的转动以及四丁基酞菁锌分子在Au(111)表面的转动等等。上述这些单分子或马达阵列往往通过在高真空环境下向固体表面沉积分子制备而成。这些分子马达属于共价分子马达，它们的转子和定子之间通过共价键连接在一起，这会导致较高的转动势垒及较低的做功效率。而水超分子马达的定子和转子间通过静电相互作用相连，转动势垒很小或可以忽略不计，因此上述共价键分子马达的制备方法不适用于制备水超分子马达。因此，有必要发明一种能够制备出吸附在固体表面上的水超分子马达的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种水超分子马达的制备方法，其能够实现在固体表面制备水超分子马达。

本发明所述的水超分子马达的制备方法，其包括如下步骤：

S1，利用低温导电银胶将高定向裂解石墨粘到导电金属板上，除气，然后在温度为90~110K的条件下利用微漏阀将水分子原位沉积到高定向裂解石墨表面，水分子在高定向裂解石墨表面自组装形成水团簇和水分子链；

S2，将吸附有水分子的石墨样品移入扫描隧道显微镜中，工作环境为超高真空，温度为77 K，将扫描隧道显微镜的针尖置于水团簇上方，施加一个电压脉冲将隧穿电子注入到水团簇中，形成负电水团簇；

S3，负电水团簇通过静电作用吸引一个水分子链，水分子链在隧穿电子的驱动下围绕负电水团簇做顺时针或逆时针转动，得到以负电水团簇作为定子、水分子链作为转子的水超分子马达。

进一步，所述S3中当水分子链呈手性时，直接得到以负电水团簇作为定子、水分子链作为转子的水超分子马达；当水分子链呈非手性时，利用扫描隧道显微镜针尖对水分子链施加一个微小电压进行微扰，使得水分子链转换为手性，得到以负电水团簇作为定子、水分子链作为转子的水超分子马达。

进一步，所述微小电压为0.8~1V，电压过高将会破坏水分子链结构，使得水超分子马达不能形成，电压过低对水分子链影响较小，使其不能由非手性转换为手性。

进一步，所述S1中除气是在真空为10^-8~10^-7mbar、温度为80~100℃的条件下除气5~7h。以获得洁净的高定向裂解石墨表面，为后续水分子沉积打好基础。

进一步，所述S2中的超高真空为1.0×10^-10~1.2×10^-10mbar。

进一步，所述S1中的导电金属板为铜板，铜在低温条件下依然具有良好的导电性，为水超分子马达的制备提供基础。

本发明利用低温沉积技术在高真空环境中向高定向裂解石墨表面制备得到水团簇和水分子链，然后利用扫描隧道显微镜针尖对水团簇进行充电形成负电水团簇，负电水团簇通过静电相互作用吸引带有永久偶极矩的水分子链，负电水团簇作为定子，水分子链作为超分子马达的旋转体，在扫描隧道显微镜针尖流出的隧穿电子的驱动下围绕负电水团簇转动，实现了在固体表面制备水超分子马达。

本发明水分子原位沉积的温度为90~110K，温度过高时，水分子呈无序状态，无法形成水团簇和水分子链，温度过低时，对设备要求较高，提高了制备难度。

附图说明

图1是高定向裂解石墨表面制备水团簇和水分子链的装置示意图；

图2是高定向裂解石墨表面的水团簇和水分子链的形貌示意图；

图3是本发明水超分子马达的制备示意图；

图4是水团簇经扫描隧道显微镜针尖施加脉冲电压前后形貌对照示意图，其中，a为施加脉冲电压前的水团簇形貌，b为施加脉冲电压后的水团簇形貌；

图5是水团簇经扫描隧道显微镜针尖施加脉冲电压前后高度对照示意图；

图6是水超分子马达的结构示意图。

图中，1—磁力手柄，2—磁力传样杆，3—分子泵，4—微漏阀，5—样品座，6—样品，7—真空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

一种水超分子马达的制备方法，其包括如下步骤：

S1，参见图1，所示的高定向裂解石墨表面制备水团簇和水分子链的装置包括磁力手柄1、磁力传样杆2、分子泵3、微漏阀4、样品座5、样品6和真空腔7，所述磁力手柄1设于真空腔外，与磁力传样杆2的一端连接，所述磁力传样杆2的另一端与样品座5连接，所述样品座5用于固定导电金属板6，通过磁力传样杆2控制进入或退出真空腔7；所述微漏阀4设于真空腔7右侧部，用于提供水分子，所述分子泵3设于真空腔7左侧部，用于控制真空腔7的真空度。

具体工作时，将高定向裂解石墨用低温导电银胶粘到导电金属板上得到样品6，首先在高真空环境下对样品6进行除气，具体工艺参数是：10^-8~10^-7mbar的真空环境中，在温度为90℃的条件下除气6h，得到洁净的高定向裂解石墨表面，为后续水分子沉积打好基础。然后将样品6固定于样品座5底面，利用磁力手柄1带动磁力传样杆2将样品6送入真空腔7中，样品6位于微漏阀4的正上方，然后在温度为90~110K的条件下利用微漏阀4将水分子原位沉积到高定向裂解石墨表面。参见图2，采用扫描隧道显微镜原位检测，水分子在高定向裂解石墨表面自组装形成水团簇和水分子链。

S2，参见图3，将导电金属板移入扫描隧道显微镜中，扫描隧道显微镜针尖位于水团簇上方，在1.2×10^-10mbar的超高真空环境、温度为77K的条件下施加一个电压脉冲将隧穿电子注入到高定向裂解石墨表面的水团簇中，水团簇在接纳一个隧穿电子后形成负电水团簇。负电水团簇在水超分子马达中扮演定子的角色，它能够通过静电相互作用捕获拥有永久偶极矩的水分子链。参见图4，分别对扫描隧道显微镜针尖施加脉冲电压前后的水团簇进行形貌观察，其中，图4a为施加脉冲电压前吸附在石墨表面上的三个水二聚体，利用扫描隧道显微镜针尖向最下方的水二聚体注入隧穿电子后，参见图4b，负电水二聚体明显比上面两个中性的水二聚体更亮。经过测量对比充电前和充电后水二聚体的高度，结果参见图5，施加脉冲电压后的水二聚体高度比施加脉冲电压前高很多，说明施加脉冲电压后的水二聚体为负电水二聚体。

S3，参见图3，负电水团簇通过静电作用吸引一个具有永久偶极矩的水分子链，水分子链在隧穿电子的驱动下围绕负电水团簇做顺时针或逆时针转动，得到以负电水团簇作为定子、水分子链作为转子的水超分子马达。

需要说明的是，当水分子链呈手性时，直接得到以负电水团簇作为定子、水分子链作为转子的水超分子马达。当水分子链呈非手性时，参见图6c，水分子链就会在隧穿电子的驱动下做顺时针或逆时针的随机转动，形成一个超分子转子，此时需要利用扫描隧道显微镜针尖对水分子链施加一个微小电压进行微扰，所述微小电压为0.8~1V，使得非手性水分子链转换成具有左手性或右手性的手性分子链。这时，参见图6d，具有左手性的水分子链围绕负电水团簇旋转时，其在顺时针方向上的转动势垒会增加，最终形成具有逆时针手性特征的水超分子马达。参见图6e，具有右手性的水分子链围绕负电水团簇旋转时，其在逆时针方向上的转动势垒会增加，最终形成具有顺时针手性特征的水超分子马达。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。