可能是分子电子学研究的一个突破

IBM的科学家们开发了一种新的分子开关,在开启或关闭时可以不改变分子的形状。虽然这种开关被实际应用于计算机尚需时日,但科学家们认为它确实为未来的计算机提示了一种很有潜力的方法,即可以将这种分子开关连结起来,形成分子逻辑门。

过去十年中,研究人员已经做出了很大努力来研究用单个分子作电子开关,希望借此使电子仪器的体积变得更小、功能更强。但IBM苏黎世研究所的研究人员彼得·利吉洛斯(Peter Liljeroth)说,迄今为止,这样做的结果会引起分子的几何形状变形。

问题在于分子形状改变了就难以将其连结成为开关。若要做得比仅仅一个分子的开关更复杂一点,如成为一个逻辑门,研究人员就必须使它们成对地连结,单个分子的开关实际是毫无作用的。

利吉洛斯及其同事们的方法是利用发生在分子中心的原子变化,这种变化不会改变分子的总体结构,他们的研究小组不久前在《科学》杂志上发表报告,展示了分子如何开启或关闭电流以及这些分子中的3个分子当处于相邻位置时,是如何一起工作的情况。利吉洛斯说:“把电流注入一个分子,会使另一个分子的状态发生转换。”

加州大学纳米系统研究所主任弗雷泽·斯托达特(Fraser Stoddart)认为:“他们的报告为这方面的基础研究作出了十分突出的贡献。”

IBM研究的是萘酞菁分子(naphthalocyanine),这种分子的结构呈十字状(上图),其中央方框空隙的每一边含有相对的两个氢原子。当研究人员将分子置于超薄底物上并给以足够的电压时,氢原子会从方框的边缘上由上到下或由下到上地翻转,但分子的几何形状却不为这两种状态的变化而变化。当给以较低的电压时,可通过测量流经分子的电流,读出开关的状态。

耶鲁大学的物理学家马克·里德(Mark Reed)说:“这是很出色的科学发现。它们具有可逆变化的结构,真是太好了。”

IBM的发现是偶然的。利吉洛斯说:“其实这是我们在观察给分子施加电压时引起的分子摆动”。但这样做却见到了原子的翻转,即一种称为互变现象的分子反应。

为了开关分子,研究小组用了一种在极低温度和真空中工作的隧道扫描显微镜(STM)。但低温可能是使上述反应过程具有实用意义的一大障碍。对于这种特殊的分子,温度必须保持在50°K,才能使反应在受控条件下发生。利吉洛斯说:“反应在室温下也会发生的,但那将是自动发生的。”虽然如此,他认为,找到一种能在较高温度下呈现上述行为的新的分子,以此最终建成逻辑装置,还是有可能的。

展示一个分子开关在其相邻的分子通上电流时能被开启或关闭,这只是走向这种逻辑装置的第一步。斯托达特说:“温度的制约仍是个大问题。”他对IBM小组的变形分子开关采取排斥态度,并认为理想的分子开关应能在室温下工作。里德也对IBM发现的实用意义表示怀疑。他说,在现阶段讨论把这种互变反应转变成一种仪器,是“夸大其词”。