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司徒塔特的研究領域主要為超分子化學和分子機器。他基于分子機械互鎖結構創造性地發展出了一種全新的人工合成分子機器，有別于傳統化學價鍵理論，該機械鍵概念為化學領域的進一步拓展做出了里程碑式的貢獻。他與索維奇共同開拓的基于非共價鍵作用的模板合成法大大提高了機械互鎖分子機器的合成效率。他合成出由熱能驅動的分子機器原型—分子梭，以及可以對外部刺激做出響應的分子開關等。通過構筑能量棘輪，他巧妙地設計合成了可以對外做功的真正意義上的分子機器—分子泵。同時，司徒塔特將分子機器的概念拓展到了各種應用領域，比如基于分子尺寸的高密度存儲器件等。此外，他不僅在分子級別上實現了如奧林匹克環、博羅米恩環等具有拓撲結構的復雜體系，還進一步將超分子化學與拓撲學進行有機結合，提出了“機械立體化學”的概念，推動了分子拓撲學在化學領域的發展。他和相關科學家的有關分子機器的工作打開了化學領域一扇新的大門，將人類“機械文明”帶入到了一個全新的分子維度。因在分子機器的設計與合成方面的開拓性貢獻榮獲2016年諾貝爾化學獎（2016年諾貝爾化學獎揭曉！）。他是機械互鎖型分子及分子機器領域的創始人和重要奠基人，迄今已在Nature、Science等發表論文1270余篇，在全球范圍內被引用超過14萬次，其開創性研究獲得100余項國際獎項和榮譽。