坐了近10年冷板凳，我终于把单个分子做成了开关。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》。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”。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。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。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。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。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。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。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 Schön）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。
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”。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。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。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。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。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。这种瞬间的希望到失望，我们经历了三次，跌宕起伏，犹如过山车一样让人难以承受。坦诚地讲，那时我的心情也难免有波动和低落。但我很快调整好了自己的状态，并鼓励学生：“我们已经实现了单向，如果不坚持接着做，别人也做不到。”实际上，当时我还是有点心虚，因为不知道继续坚持会不会成功。
但是我想，我们已经坐了五六年冷板凳，再坐几年也无妨。学生相信了我，我们一起咬紧牙关，从失败中总结经验、分析原因，通过分子工程学进一步改变分子，最终真的取得了重大突破。从2006年到2016年，长达10年的时间里，我们的团队历经艰辛，“四渡赤水”攻克难关，终于使得国际首例稳定可控的单分子电子开关器件诞生在中国。图中就是我们制备的单分子电子开关。
如果用紫外光照射，这个分子就会发生关环反应；如果用可见光照射，它又会打开。2016年6月17日，这项研究成果发表在国际顶级学术期刊Science上面，这也是几十年来我国分子电子学领域的研究结果首次发表在Science上。审稿人给了我们很高的评价：“数据留下极其深刻的印象……在以前任何工作中从未见过数据如此详实、开关功能如此强大的单分子器件。
”我们申请了发明专利，同时也得到了各种杂志和媒体的亮点报道。Science同期也不吝对我们的工作进行高度评价：“这一研究所示范的科学展示了在纳米尺度上对物质的精致控制，这是一个凭借自身的努力、可敬的智力追求，具有广泛的长期效应”。这项研究成果也同时入选了2016年度“中国高等学校十大科技进展”和“中国科学十大进展”。
最近，我们还利用另一种魔幻分子——偶氮苯分子，研制出了第二种全可逆的双模式单分子电子开关器件。我们可以在溶液中、在固态条件下，通过两种方式调控分子在两种结构的变化，从而实现可逆的开关效应。这些实验结果一致证明，我们的确可以利用单个分子来构建光电子器件。这为分子电子器件的潜在的应用迈出了关键的一步。这些科学研究已经重新激起了单分子电子学领域的热潮，吸引了学者们广泛的研究兴趣。
类似这样的单分子电子器件在未来会有哪些应用呢？举个例子，大家可能知道中兴事件和华为事件，芯片技术是我国一个“卡脖子技术”。我们也许可以另辟蹊径，利用单分子器件制作集成电路，也就是单分子芯片技术，大大提高器件的集成度和功能。如果研制成功，我们就有望发展颠覆性的芯片核心技术，打破国外对芯片技术的垄断。除此之外，单分子电子器件还可以在基因测序和精准诊断技术等领域一展风采。
我们的研究进入了“科学无人区”，由于研究领域的“高门槛”，鲜有同行者。但也正是我们对梦想的执着，让我们最终能够在微观世界遨游，深入到化学和生命科学的底部空间，去直接观测单分子，揭示物质转换的规律和生命现象的奥秘，体会其间的无限精彩。我们将继续以忘我的境界一往无前，未来可期。谢谢大家。