『技术』坐了近 10 年冷板凳，我终于把单个分子做成了开关 |化学|物理|大学|

来源：果壳网
每天都会用到的 " 开关 " 大家再熟悉不过了，但如果要把一个分子做成一个开关，还要让它听话地打开和关闭，这究竟要怎么实现呢？它又能为我们做些什么？北京大学化学与分子工程学教授郭雪峰老师带来分享：《把单个分子做成开关，突破微观领域的无人区》。
以下为郭雪峰演讲实录：
大家好，我叫郭雪峰，来自北京大学化学与分子工程学院。
我的工作与单分子电子学相关。分子大家都很熟悉，学化学的都离不开它；电子大家也听说过，它属于物理。那么在它们两个共同组成的微观世界里，会诞生什么样的新产物？我们能够让它们做些什么不可思议的事情？
我是怎么和单分子电子学这样一个大家听起来很科幻的领域结缘的呢？说起来，这可能是一段 " 冰雪奇缘 " 。

本文插图
小时候我对物理和化学都很感兴趣，尤其酷爱化学。记得上中学时，有一天上完晚自习，回家路上突然飘起了鹅毛大雪。我的家乡在南方，那是我第一次见到冰雪。我当时非常兴奋，仔细地观察着精美的雪花，看着它飘落在温暖的手心，然后慢慢地融化流淌。
那时我就好奇地问自己：水分子为什么这么反常，结冰后体积会变大？雪花由水分组成，为什么会呈现出这么多丰富多样的形貌？单个水分子到底在微观上面具有什么样的结构？
带着这些疑问，以及对北方冰雪的向往，我来到了北京，分别在北京师范大学化学学院攻读学士和硕士学位，在中科院化学所攻读博士学位。
那时我就开始设计合成各种小分子，在分子水平上面把它们组装成不同结构，看看会实现什么功能。

本文插图
比如这张图片上面的轮烷分子，它可以制成分子机器，也可以进行信息储存。
渐渐地，我接触到了一个新的领域——单分子电子学。

本文插图
分子电子学可以追溯到 1959 年费曼一场幻想演讲——《在底部有很大的空间》。在演讲中他指出， " 我们为什么不能把计算机做小一点？比如导线的直径小到 10~100 个原子，电路小到几千个埃 " 。在他看来，物理学规律不排除用一个个原子制造物品的手段。

本文插图
这些想法对普通人来说实在是不可思议。大家知道，越小的东西越难制造，现在手机和电脑里面的电子元件，尺寸已经达到了目前技术的极限。在分子大小上去制造这些元件，可以说是天方夜谭。
但在此后几十年，分子电子学开始迅速发展。

本文插图
20 世纪 70 年代， Ratner 教授首次从理论上提出了单分子整流器的设想。二十多年后的 1997 年， Science 杂志发表了 Reed 教授等人发展起来的第一个测量单分子导电性的实验技术。
单分子电子学已经发展成为一门新兴的学科领域。在这个领域里，大家都有一个梦想，那就是将单个分子制成光电子器件，甚至集成电路。也正是这样一个美丽的蓝图吸引了我，让我产生了浓厚的兴趣，最终决心投身到分子电子学的研究领域中。
然而，突破性的技术创新往往非常漫长又充满变数，任何一个偶然的事件都有可能阻碍它的发展。