电子学院侯士敏团队：机器学习驱动分子动力学揭示单分子结中的立体电子开关机制
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近日，北京大学电子学院侯士敏教授团队在分子电子学领域取得重要进展。研究团队将机器学习力场（MLFF）与分子动力学（MD）模拟相结合，探究了扫描隧道显微镜断裂结（STM-BJ）实验中单分子结在机械拉伸下的动态结构演化。不同于以往依赖少数静态构型的分析方法，该工作从大规模的动态构型系综出发，在分子结构型与电导之间建立起统计关联，为理解分子器件的电子输运机制提供了全新的统计学视角。相关成果以“Machine-Learning-Driven Molecular Dynamics Unravels Stereoelectronic Switching in Statistical Ensembles of Single-Molecule Junctions”为题于2026年5月14日在线发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。
从单幅“快照”到动态“电影”
在机械可控断裂结（MCBJ）和扫描隧道显微镜断裂结（STM-BJ）实验中，单分子结在拉伸过程中会经历复杂的构型演变，导致电导呈现统计分布。尽管实验能够获得数千条拉伸曲线的统计电导直方图，但电导变化背后的原子尺度构型演化——尤其是由金电极和甲基化寡聚硅烷构成的分子结中立体电子开关效应的动态机制——此前仍不清晰。
利用机器学习训练的高精度力场，团队实现了对Au–Si4–Au分子结拉伸过程的分子动力学模拟，从而直接“看见”了分子结构型的动态演化。研究发现，该分子结的拉伸过程可划分为多个典型阶段，包括分子桥接形成、多位点二面角协同旋转以及分子-电极界面的重构等。
图1（a）Au-Si4-Au分子结中二面角的示意图。从分子-电极界面到分子骨架内部，它们依次被标记为第一层、第二层、第三层和第四层。为了更好地可视化，隐藏了分子骨架中的部分原子（如甲基基团）。（b）拉伸过程中四层二面角之和的变化图以及各阶段代表性构型。每个结构的右侧记录了按照黑色箭头方向所看到的发生构型切换的第一层和第三层二面角的纽曼投影
破译电导双稳态的结构密码
在电子输运性质上，模拟成功再现了实验中观测到的高、低电导双稳态行为。通过主成分分析（PCA）与相关性分析进一步发现，电导变化主要由两类二面角主导：分子-电极界面的Au–S–C–Si二面角，以及分子骨架内的C–Si–Si–Si二面角。这两类结构参数贡献了超过80%的构型变化信息。
导电机理方面，对透射谱的解析表明，分子结拉伸导致的电导提升并非主要来自分子能级位置的移动，而是源于分子轨道与电极耦合特性的改变。当这两类二面角从邻式构象（O态）转向反式构象（A态）时，分子轨道在空间上变得更加对称且离域，增强了分子与两侧电极之间的耦合对称性与强度，使相应透射峰的峰高和峰宽增大，从而提高了分子结的低偏压电导。这一构型伸展所引发的电子离域效应，正是高电导态形成的核心原因。
图2（a）拉伸模拟得到的Au-Si4-Au分子结二维电导-相对位移直方图。（b）每个结构参数对PC1的相对贡献率，具体数值是每个标签对应的平方载荷归一化结果。插图给出了Au-Si4-Au分子结的结构参数，从上到下依次为键长（B）、键角（A）和二面角（θ）。（c）AAAA二面角组合的分子结透射谱和多能级模型拟合曲线。（d）平均峰高和（e）平均峰宽变化趋势图，竖线表示每个区域的95%置信带
统计视角下的新发现
本研究在统计意义上建立了单分子结“构型-电导”之间的直接关联，突破了以往依赖少量静态结构的研究范式。借助机器学习辅助的大规模分子动力学模拟，不仅阐明了甲基化寡聚硅烷分子结中立体电子开关效应的微观机制，也为分子电子器件中的功能调控提供了理论依据。
这项工作展示了机器学习方法在分子电子学中的巨大潜力。未来，通过引入溶剂环境以及更接近实验条件的拉伸速度，有望进一步实现理论与实验的定量吻合，推动分子电子学向可预测、可设计的方向发展。
北京大学电子学院博士研究生董旸宇、电子学院博士后潘昊阳为论文共同第一作者，侯士敏、电子学院潘昊阳博士后为论文共同通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等的资助。
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