纳米技术在操纵分子方面取得突破进展，科学家将平面大分子“立起来”

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像乐高玩具一样通过逐个原子或逐个分子生产和装配出宏观尺度的产品一直是人们的一种幻想，由此而催生了分子纳米技术的诞生。

而在最近，德国一个研究组将分子移动到了自然状态下难以达到的位置。在这一过程中，他们将分子作为一个单电场发射器，这些电子的发射由电场激发。

6 月 27 日，这一研究发表在《自然》(Nature) 杂志上。来自德国 Peter Grünberg 研究中心的科学家操纵了一个平面大分子 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA），让 PTCDA 分子“站”了起来。

图 | 科学家将 PTCDA 分子直立在银金属层上（左）。通常情况下，PTCDA 分子倾向于“平躺”在银金属层上。（图片来源：Forschungszentrum Jülich）

人类进军微观世界

人类真正操纵这些微小的原子和分子大约有 30 年历史。1990 年，IBM 的物理学家多恩·艾格勒（Don Eigler）曾使用扫描探针显微镜（SPM）操纵氙原子拼出“IBM”的字样；1994 年，中国科学院北京真空物理实验室在在 Si(111)-7×7 表面利用扫描隧道显微镜（STM）针尖加电脉冲移走硅原子，形成沟槽，成功写出“中国”二字。

虽然操纵原子已有很长的历史，但操纵分子却迟迟未获得突破性进展。与原子不同的是，分子具有特定的形状，因此，在操纵过程中的取向就显得十分重要。

为了完成这次难度极高的操作，研究人员通过 SPM 显微镜的尖端将两个银原子连接到 PTCDA 分子的边缘，然后将它们抬起，直到分子完全垂直地立在银金属层上。PTCDA 结构上与石墨烯相关，人们一般会认为，这种分子倾向于“躺倒”在银金属层表面上。

“到目前为止，人们认为这种分子倾向于自发恢复到能量更低的状态，即躺在银金属层上，但事实并非如此。PTCDA 分子直立的状态十分稳定，这令人很惊讶。即使我们用显微镜尖端推动它，它也不会翻倒，而只是摆动后回到直立的状态。我们目前还只能猜测这背后的原因。”论文的第一作者 Taner Esat 说。

图 | PTCDA的不同“站立”角度。黑色圆点和红色方块代表了银原子与PTCDA可能的接触位置。在平移和旋转的过程中，PTCDA并不会跳过原子的表面。（图源：Nature）

此外，该团队还证明了 PTCDA 分子在直立时显示出与躺倒时的不同电子特性。这一成果可应用于纳米电子产品的制作或全息图的生成。

PTCDA 分子类似于石墨烯的微小碎片，除了用作有机染料，该化合物作为有机半导体引起学者的很大兴趣。这一分子操作结果可作为实现分子纳米技术的重要基石，并进一步带来更多颠覆性的技术。这一研究的最终目标是能够制造任意的分子结构，包括直接从单分子组装纳米结构。

图 | PTCDA的分子结构

该项成果源于十年来 SPM 操纵分子相关研究的积累。据 Peter Grünberg 研究中心低温 SPM 小组负责人 Ruslan Temirov 表示，起初他们在 2008 年通过 SPM 精确控制分子的成果至关重要，“这一精确操纵为我们提供了研究分子操作的可能性和必要手段。”

这一分子纳米技术已激发长期以来一直支持这项技术的人们对未来丰富的想象，但 Temirov 认为这项工作的意义远不止于此。这一研究打开了亚稳态结构研究领域的大门，这些亚稳态结构并不是维持系统最低能量的结构。在这次的研究中，分子并没有按照热力学定律预测的那样“躺倒”在金属层上。

在文章中，研究人员提到，他们预计其他亚稳态结构也是可以获得的，这可为材料表面的功能性纳米结构设计开辟第三个维度。他们希望开创一种不限于少数预定结构的制造技术，能够在纳米尺度上自由地创建结构。

于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）负责人 Stefan Tautz 教授表示，“在宏观世界中，我们的生产过程十分复杂。而在微观尺度上，我们还远远未达到先进水平。以汽车、电脑和房屋为例。这些东西必须由我们来组装形成，而无法通过大自然自发地创造它们。这正是我们在这个实验中单分子水平上所做的事情：通过自己的双手，生产出一种人造的亚稳态结构，并提供特定的功能。”

在活细胞中，分子根据其各自不同特性，以自发的方式进行组装。而Peter Grünberg 研究中心的研究正在超越这一自然范式，并试图在制造出的不寻常的结构和新功能之间寻找新的相互作用。

此外，这一技术也使纳米级器件的原理验证以及基本功能的实现成为可能，包括分子逻辑运算、单原子晶体管、单原子磁存储器等。这些单原子电子器件可成为量子计算机中的重要器件。

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参考：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0223-y

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/EN/2018/2018-06-27-nature-molecule.html?nn=712792

https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/molecular-nanotechnology-takes-giant-leap-foward-by-manipulating-molecules