Molecular machines, and in particular molecular motors with synthetic molecular structures and fuelled by external light, voltage or chemical conversions, have recently been reported. Most of these experiments are carried out in solution with a large ensemble of molecules and without access to one molecule at a time, a key point for future use of single molecular machines with an atomic scale precision. Therefore, to experiment on a single molecule-machine, this molecule has to be adsorbed on a surface, imaged and manipulated with the tip of a scanning tunneling microscope (STM). A few experiments of this type have described molecular mechanisms in which a rotational movement of a single molecule is involved. However, until now, only uncontrolled rotations or indirect signatures of a rotation have been reported. In this work, we present a molecular rack-and-pinion device for which an STM tip drives a single pinion molecule at low temperature. The pinion is a 1.8-nm-diameter molecule functioning as a six-toothed wheel interlocked at the edge of a self-assembled molecular island acting as a rack. We monitor the rotation of the pinion molecule tooth by tooth along the rack by a chemical tag attached to one of its cogs.
近年、分子マシンに関する研究が多数報告されている。特筆すべきは、外的な刺激（光、電圧および化学変化）によって駆動する分子モーターである。そのような研究の大部分は、分子の大きな集合体を含む溶液中にておこなわれてきた。すなわち、特定の1分子へのアプローチはなされてこなかったのである。将来的に原子スケールの精密さを有する単分子マシンを創る上では、単一分子へのアプローチが必要不可欠である。基板の表面に吸着させた単一の分子マシンは、走査型トンネル顕微鏡 (STM) によって画像化され、また、動かすことも可能である。類似の研究はこれまでに数件報告されており、単分子による回転運動のメカニズムについて述べられているが、その観測方法は間接的なものが多く、さらに回転運動を制御するには至っていない。本論文では、低温条件下にてSTMの探針が駆動させる単一の歯車状分子によるラックアンドピニオンデバイスについて紹介する。この分子は直径が1.8 nmの6歯の歯車状分子であり、形成する自己集合膜の端ではラックのようなギザギザの形状を作る。歯車とラックが組み合うことで、デバイスとして働く。筆者らは、6歯のうちの1つに化学的に目印を導入した分子を用いて、ラックに沿った面での歯車分子の回転運動を観測した。