在纳米尺度能量转换与分子器件领域，光驱动分子旋转电机一直是研究热点。这类电机能将光能直接转化为旋转运动，在分子工程、智能材料等领域展现出广阔应用前景。然而，电机的单向旋转方向由其手性决定，而手性在传统合成后难以通过非化学手段动态调控。现有方法如圆偏振光控制、碱基催化差向异构化等，要么效率极低（旋转方向占比不足 1%），要么需依赖化学干预，无法实现实时、无损的方向切换，这成为制约分子电机实际应用的关键瓶颈。
为突破这一困境，研究人员聚焦于开发一种无需化学修饰即可远程调控手性的分子电机架构。通过设计新型 E-motor 系统，结合理论模拟与计算，探索外部电场对分子手性的调控机制。研究以特定分子 PFCN（(9E)-9-(13 - 甲基三环 [7.4.0.03,7] 十三碳 - 1,8,10,12 - 四烯 - 4 - 亚基)-4b,8a - 二氢 - 9H- 芴）为模型，综合运用量子化学计算和非绝热分子动力学（NAMD）模拟，系统研究其在手性切换过程中的结构演变、能量变化及光电特性。该研究成果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为分子电机的动态控制开辟了新路径。
研究主要采用以下关键技术方法：
- 量子化学计算：利用 ODM2/MRCI-SD 半经验方法，对 PFCN 的基态和激发态电子结构进行优化，分析其光电性质（如偶极矩、紫外 - 可见吸收光谱）及势能面分布。
- 非绝热分子动力学（NAMD）模拟：通过 Tully 表面跳跃算法，模拟光激发后 PFCN 的实时动力学行为，追踪转子和开关单元的构象变化，验证电机旋转循环的可行性与手性稳定性。
- 密度泛函理论（DFT）：在外部电场作用下，计算 PFCN 的基态势能面，分析电场强度对开关单元旋转能垒及手性切换的影响。
详细研究结果
1. PFCN 电机的结构特征
PFCN 由对称转子（芴基）、定子（茚满衍生物）和极性开关单元（含吡唑环的推挽结构）组成。转子的 C2v对称性使其旋转 180° 后化学性质不变，而定子通过引入甲苯环为开关单元提供支架。开关单元的强偶极矩（负电荷集中于氮原子，正电荷位于甲基端）使其可响应外部电场，且其空间位阻不对称性导致电机偏好特定轴向手性（P或M）。
2. 无电场下的基态特性
基态存在稳定态（S）和亚稳态（M）两种镜像对结构，分别对应顺时针（CW）和逆时针（CCW）旋转。两者能量差约 170 meV（3.9 kcal/mol），室温下热力学倾向于稳定态。转子与开关单元的空间斥力导致转子偏离平面（二面角 φ），而开关单元取向（二面角 θ）基本不变。紫外 - 可见吸收显示，S1态（3.75 eV，330 nm）为亮态，主导 HOMO→LUMO 电子激发，符合典型拥挤烯烃电机的光物理特性。
3. 旋转循环的势能面分析
光激发（S0→S1）后，PFCN 在 S1势能面通过两个最小能量锥形交叉点（MECIin和 MECIout）弛豫至基态。MECIin能量更低（3.041 eV），主导弛豫路径。基态旋转需克服约 110 meV（2.5 kcal/mol）的热垒，完成 “光学 - 热” 双步循环，与第二代分子电机机制相似。
4. 电场对手性的调控作用
开关单元的强偶极矩使电机可通过外部电场（垂直于定子平面）调控手性。当电场强度达 0.004-0.005 a.u.（约 4 V/nm）时，电场诱导的能量变化逆转S与M的稳定性，降低开关单元旋转能垒（从 680 meV 降至接近热能水平），实现手性切换。DFT 计算表明，电场通过线性偶极作用及高阶极化效应共同影响势能面，验证了电场调控的可行性。
5. 实时动力学验证
NAMD 模拟显示，光激发后 S1态寿命约 3.6 ps，通过 MECIin弛豫至基态。约 57% 的轨迹继续旋转至亚稳态，18% 完成完整循环。开关单元在动力学过程中取向稳定（θ 分布未翻转），证实其手性在光驱动循环中保持稳定，满足电机单向旋转需求。
研究结论与意义
本研究提出的 E-motor 架构首次实现了分子电机手性的电场动态调控，突破了传统依赖化学合成的局限。通过引入极性开关单元，利用电场脉冲可逆切换轴向手性，为纳米机器人、智能材料等领域提供了新型可控动力单元。尽管实际应用需进一步解决表面固定、分子取向控制及环境相互作用等问题，但该工作为光 - 电协同调控分子运动奠定了理论基础，开辟了分子器件实时响应与功能切换的新方向。未来可通过模块化结构设计（如调整开关单元取代基）优化能垒，拓展其在不同环境下的适用性。
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