德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)(Technical University of Munich;TUM)物理學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出分子納米開關(guān)，能夠透過施加電壓在兩種不同結(jié)構(gòu)的狀態(tài)之間切換。該團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)可望作為開創(chuàng)性組件的基礎(chǔ)，從而以整合且能直接尋址的有機(jī)分子取代硅組件。

TUM物理學(xué)系的納米科學(xué)家Joachim Reichert表示：“僅用一個(gè)單分子進(jìn)行切換，就可能讓未來的電子組件朝微型化的極限向前邁進(jìn)一步。”

該研究團(tuán)隊(duì)最初開發(fā)的方法是使用外加電壓，讓他們能與強(qiáng)光場(chǎng)中的分子形成精確的電接觸。在大約1V的電位差下，分子改變其結(jié)構(gòu)：使其變得平坦、導(dǎo)電且散射光線。這種強(qiáng)烈依賴分子結(jié)構(gòu)的光學(xué)行為，激發(fā)了研究人員的創(chuàng)意，因?yàn)樵谶@種情況下可以觀察到散射活動(dòng)——拉曼散射(Raman scattering)，同時(shí)透過外加電壓的方式進(jìn)行開啟和關(guān)閉。

研究人員使用的是由瑞士巴塞爾(Basel)和德國(guó)卡爾斯魯爾(Karlsruhe)的團(tuán)隊(duì)合成的分子。這種分子在充電時(shí)會(huì)以特定的方式改變其結(jié)構(gòu)。它們排列在金屬表面上，并采用具有極薄金屬涂層為尖端的玻璃碎片角落進(jìn)行接觸。這使得電接觸、光源和集光器整合于一。研究人員使用該碎片將雷射光直接照射在分子上，并測(cè)量隨施加電壓而變化的微小光譜信號(hào)。

可實(shí)現(xiàn)電切換的有機(jī)分子(來源：Yuxiang Gong/TUM/Journal of the American Chemical Society)

從技術(shù)角度來看，在各個(gè)分子之間建立可靠的電接觸極具挑戰(zhàn)性。科學(xué)家們?nèi)缃褚呀?jīng)成功地將這一過程與單分子光譜學(xué)結(jié)合起來，使其能以極高的精確度觀察到分子中最小的結(jié)構(gòu)變化。

分子開關(guān)的挑戰(zhàn)

根據(jù)研究人員在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊》(Journal of the American Chemical Society)發(fā)表的文章，早期以分子開關(guān)數(shù)組建立運(yùn)算的嘗試，一部份受到限于“金屬-分子-金屬”接點(diǎn)直接化學(xué)特性化的挑戰(zhàn)。盡管低溫掃描探針研究提高了對(duì)于電流和電壓誘導(dǎo)構(gòu)形切換的機(jī)理了解，但“金屬-分子-金屬”構(gòu)形大部份仍然是從間接證據(jù)推斷而來的。

因此，開發(fā)強(qiáng)大的化學(xué)靈敏技巧有助于該領(lǐng)域的發(fā)展。在這項(xiàng)研究中，物理學(xué)家透過振動(dòng)光譜探測(cè)了雙能態(tài)分子開關(guān)的構(gòu)形，同時(shí)透過外加電壓進(jìn)行操作。他們的研究著重于在室溫下穩(wěn)定單分子開關(guān)中測(cè)量單分子拉曼光譜，并顯示其信號(hào)調(diào)變近乎兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

在國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)的共同努力下，物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功地將單分子作為光信號(hào)的開關(guān)組件;其微小的尺寸使納米系統(tǒng)適用于需要透過電勢(shì)切換光源的光電應(yīng)用。