电场：精准调控分子行为的新型合成范式

原子和分子间的相互作用本质上与电性密切相关。因此，电场作为一种“智能试剂”，在无需催化剂的条件下调控化学反应，为绿色化学、精准化学和智能化学提供了重要途径，预示着新一代合成方法的诞生。

北京大学郭雪峰教授团队近期在《化学评论》100周年纪念专刊发表封面综述文章（图1），系统探讨了利用纳米尺度电场调控分子活性的方法。该综述旨在为分子器件的精确控制提供技术指导，涵盖光电功能设计、逻辑单元发展、精准选键控制、新型催化模式以及全新化学反应的探索。

图1. 期刊封面

实现有效的电场催化需要达到极高的电场强度（10⁸ V/m），这成为当前技术瓶颈。此外，原子和分子的随机运动也要求电场方向与分子结构精准对齐。文章总结了目前实现高电场的方法，包括构建单分子结、单分子层和微型平板电容器；利用纳米微腔限制分子，利用腔内带电粒子施加电场（例如酶、沸石和超分子笼）；以及应用压电材料、摩擦起电和光电场等新兴技术。

文章还讨论了电场测量方法，例如利用分子Stark效应、扫描探针显微镜和透射电镜等。

综述深入分析了电场对分子光物理、电荷输运、构象变化和化学反应的调控作用，包括光谱特性、电流强度、分子运动以及反应热力学和动力学的调控（图2）。研究表明，电场的影响是多方面、综合性的，例如同时影响光物理和电子传输特性。未来研究方向包括：更精确地描述纳米尺度电场的静态和动态特性，发展皮秒至飞秒级时间分辨的电场表征技术，实现分子行为的“可视化”；以及将单分子水平的电场催化拓展到系综水平，例如通过集成单分子器件并结合人工智能分析，最终获得最佳的电场催化合成路线。

图2. 电场对分子行为的综合调制

郭雪峰教授为通讯作者，杨晨博士为第一作者，郭逸霖博士和张恒博士也参与了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等机构的支持。