「力」による単一分子の構造変換――活性化エネルギーを下回る消費エネルギーで進行するメカニズムを解明――

2026-10-23 東京大学,大阪大学

東京大学と大阪大学の研究グループは、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、椀状の有機分子「スマネン」に力学刺激を加え、構造を反転させる際のエネルギー収支を明らかにした。金基板上のスマネン分子を極低温・超高真空環境下で探針により押し込んだところ、分子が反転する際のエネルギー消費量は0.3~0.5 eVとなり、第一原理計算で求めた活性化エネルギー0.67 eVを下回った。解析の結果、探針と分子の間に働く引力的なファンデルワールス相互作用が、探針側への力学的エネルギーの移動を通じて、反応に必要な外部からの投入エネルギーを低減することが分かった。本成果は、機械的な力で化学反応を制御するメカノケミストリーにおける新たなエネルギー利用機構を示すものであり、省エネルギー型の分子マシンや高効率な分子触媒の設計への応用が期待される。

「力」による単一分子の構造変換――活性化エネルギーを下回る消費エネルギーで進行するメカニズムを解明――
力による単分子の構造変換の概念図

<関連情報>

先端を介した遷移状態の安定化による力駆動型単分子変換 Force-driven single-molecule transformations through tip-mediated stabilization of transition states

Kota Iwata, Ikutaro Hamada, Ranmaru Kuno, Taku Enomoto, Ryu Kuroki, Hidehiro Sakurai & Yoshiaki Sugimoto
Nature Communications  Published:23 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-78541-6

Abstract

Mechanochemistry uses mechanical forces to drive chemical transformations, offering an energy-efficient alternative to traditional thermal, optical, or electrical reaction pathways. At the single-molecule scale, controlling structural changes with mechanical stimuli is fundamental for developing nanoscale devices and understanding chemical reactivity. In conventional single-molecule reactions driven by light or electrical currents, energy is supplied through one-way excitation processes, requiring the single-event energy input to exceed the activation energy barrier. Here we show that mechanically driven single-molecule reactions can bypass this limitation, proceeding with a net energy cost below the activation energy. By using atomic force microscopy to induce the structural inversion of individual, bowl-shaped sumanene molecules on a gold surface, we measure the mechanical energy spent during the transformation. The net energy cost is significantly lower than the theoretical activation energy. This sub-barrier reaction occurs because attractive van der Waals forces from the mesoscopic tip body stabilize the transition state more effectively than the final state. Our findings demonstrate a distinct energetic mechanism in mechanochemistry, highlighting alternative strategies for energy-efficient molecular manipulation.

0500化学一般
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