「分子」坐了近10年冷板凳，我终于把单个分子做成了开关 | 郭雪峰( 二 )
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2002年 ， 一件丑闻把单分子电子学拉入低谷——曾经的超级学术新星肖恩（Jan Hendrik Sch?n）被发现文章造假和严重的学术不端 。 不但他自己名誉扫地 ， 由于他曾连续发表过单分子半导体研究 ， 也给这个领域带来了沉重一击 。 研究先驱们因此纷纷转变了方向 ，单分子电子学陷入了低谷 。
那个时候就有人劝说我 ， 你的研究领域实在是太难 ， 可以考虑换一个方向 。 我相信我换了方向之后也会做得很好 ， 那到底是换个方向还是坚持？我的答案是后者 ， 因为 我想把这件自己感兴趣的事情做到极致 。
2004年 ， 我去美国哥伦比亚大学一个专门做单分子物性研究的纳米中心做博士后 ， 接触到了这一领域的顶级资源 。
2007年 ， 我回到北大任教 ， 便开始钻研和完善单分子器件制备的关键技术 。
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我想完成的第一个挑战就是 将单个分子制成稳定可控的开关 。 这是一个世界级的难题 ， 之前没有人成功过 ， 也没有相关经验可以参考 。 也就是说 ， 我们要挑战的是一个充满艰难险阻的“学术无人区” 。
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第一个挑战是要选择能够做成开关的分子 。 我们把目光聚焦在图中这个分子上面 ， 它叫二芳烯 ， 主要由两个噻吩环通过一个双键相连组成 ， 形状像一个蝴蝶 。
为什么称它为“魔幻分子”呢？
因为如果把这个分子放在溶液当中 ， 我们可以用紫外光和可见光去调控分子在开环、关环两种结构的可逆变化 ， 从而实现开关的功能 。
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2007年 ， 我和我的合作者将两种“魔幻分子”接在碳纳米管的电极上 ， 制备成了电子器件 。
很遗憾 ， 经过多次尝试 ， 这些器件仅仅实现了单向的从低态到高态 。 也就是说 ，只能让分子从关闭到打开 ， 不能让它从打开到关闭 ， 没有实现可逆性 。 这样的结果对我们来说是当头一棒 ， 随之而来的是情绪的低落和遗憾 。
后来经过多年的仔细思考 ， 我们认为问题在于电极 。 分子与电极间的强强相互作用影响到了分子原有的性质 ， 所以分子失去了开环的能力 。要想办法改变分子的结构 ， 才能解决问题 。
所以 ， 我们必须找到高效制备单分子器件的方法 。
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制备一个稳定的单分子器件一直是单分子电子学领域的核心挑战 。
打个比方 ， 我们想要制备电极来测量单分子原有的性质 。 在微观世界里 ， 即便是纳米电极 ， 它和单个分子之间的尺寸差异也堪比一栋大厦和一个乒乓球 。 用两栋大厦去测量一个乒乓球的导电性 ， 难度大家可想而知 ， 会造成“测不准”的现象 。
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针对这些问题 ， 我和我的合作者提出了利用碳纳米管和石墨烯为电极制备稳定的单分子器件的突破性方法 ， 然后再通过化学键将分子与电极相连 。 这样一来 ， 就很好地解决了单分子器件制备难、稳定性差的挑战 。
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有了这个平台 ， 我们又进一步设计了三种升级版的二芳烯分子 ， 把它们接在石墨烯电极上制备光电子器件 。 然而非常遗憾 ，这些器件还是只能单向地从低态到高态 ， 没有实现可逆性 ， 结果又一次地打击到了我们 。
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