单分子器件是研究极限尺度下电荷输运规律、探索分子电子学功能的重要平台。长期以来，相关研究主要采用线性分子，通过分子末端的锚定基团将其连接于金属电极之间。这种构筑方式在一定程度上限制了器件结构与功能的拓展。如何将更复杂的分子骨架引入器件，并在更长距离上维持有效电荷输运，是单分子电子学领域的重要研究方向。

围绕上述问题，在国家自然科学基金、北京市自然科学基金及中国科学院相关项目的支持下，化学研究所有机固体实验室臧亚萍课题组与合作者发展了碳基环形单分子器件。通过弯曲碳骨架与金电极的直接耦合，研究团队在无需传统锚定基团的条件下实现了分子组装，并显著降低了接触电阻。在此基础上，团队通过分子对称性调控实现了室温三态电导开关，并通过原子级界面融合获得了接近量子极限的单分子电导，展现了环形架构在提升输运性能与调控器件功能方面的独特优势（Sci. Adv. 2021, 7, eabk3095；Sci. Adv. 2022, 8, eade4692；Nat. Commun. 2023, 14, 293；J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 40825；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 65, e19695；Sci. Adv. 2026, 12, eaeb8037；J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 6209）。

近日，臧亚萍课题组与中国科学技术大学杜平武教授团队合作，将研究进一步拓展至具有“8”字形双环拓扑的三维共轭分子。这类分子由两个相连的碳纳米环构成，具有更为复杂的空间结构。研究团队利用两环弯曲程度的差异，在无需引入传统锚定基团的条件下，实现了双环单分子结的可重复构筑，为研究复杂拓扑结构中的电荷输运奠定了实验基础。单分子电导测量表明，双环拓扑不仅能够提高电导，更能减缓电导随输运距离增加的衰减。与线性和单环对照体系相比，双环体系的电导表现出更弱的长度依赖性。在相近输运距离下，其电导最高可达单环体系的约100倍；在约10个苯环单元的输运距离上，仍可维持相干隧穿，显示出双环拓扑在长程电荷输运中的优势。

理论计算进一步揭示了上述输运特性的电子结构机理。双环连接改善了分子与电极之间的能级匹配；随着两环尺寸差异减小，参与输运的电子态由主要分布于单个环逐渐扩展至整个分子骨架，与两侧电极的耦合也更为均衡。这些效应共同提升了电荷输运效率，并减弱了分子长度增加所引起的电导衰减。

该研究将碳基环形单分子器件拓展至更复杂的三维共轭体系，表明分子骨架的整体连接方式——即分子拓扑，也是调控电子输运的重要结构因素。这一工作将研究视角从局部结构修饰拓展至整体拓扑设计，为在更大分子尺度上实现高效电荷输运提供了新的结构设计思路。

相关研究成果以“Topological Control of Carbon Nanohoops for Boosted Long-Range Coherent Transport”为题，发表于Journal of the American Chemical Society（DOI：10.1021/jacs.6c14293）。论文共同第一作者为化学所博士生荆诚嘉和中国科学技术大学特任副研究员张新宇，通讯作者为臧亚萍研究员和杜平武教授。

单分子器件中分子拓扑结构的拓展

有机固体实验室

2026年9月16日