近期研究⼈员实现了⽤⼀个分⼦制成压敏电阻。近⽇,上海⼤学与澳⼤利亚多所⼤学的研究⼈员合作,在纳⽶级机电系统(NEMS)实现了⼀种单分⼦压敏电阻,通过对这⼀个分⼦施加不同⼤⼩的⼒,就能得到不同的电阻,即表现出压阻效应。压阻效应与应⽤压阻效应,最早是由开尔⽂爵⼠(William Thomson)在1856年在⾦属材料中发现的,表现为对其施加外⼒,其电阻率会发⽣变化。
利⽤压阻效应做出的器件有着⼴泛的应⽤。最常⻅的应⽤是智能⼿机内的加速度计,为我们实现计步功能;它也⽤于汽⻋感知外来的冲击,触发安全⽓囊或防抱死制动系统。具有压阻效应的材料还被开发成压阻式压⼒传感器,当压⼒变化时,电路输出正⽐于压⼒的信号,这就将机械⼒转变为其他可测量的物理量。⽐如,在医学领域⽤于测量⾎压,在汽⻋⼯业领域⽤来测量汽⻋发动机中的油压和⽓压。
上海⼤学与澳洲联合团队如何发现单分⼦也可表现出压阻效应?⾸先要将单个分⼦连⼊⼀个电路,可是分⼦太⼩了,只有10纳⽶左右,怎么把这么⼩的东⻄连⼊电路呢?研究⼈员应⽤扫描隧道显微镜裂结技术(STM-BJ,可参阅Science 301, 1221–1223 (2003).)达成了⽬的。
他们将扫描隧道显微镜(STM)探针改造为电极,另⼀电极为镀⾦硅⽚;将探针电极反复正向推进和反向提拉,使探针与硅⽚镀⾦层基底之间不断出现⼀个纳⽶⼤⼩的间隔,碰巧⽬标分⼦进⼊这个纳⽶间隔,连接上两电极,即形成“结”,单分⼦电路接通,这样就可以做相关测量了。有120万种变化的分⼦本次实现单分⼦压阻效应的分⼦叫作瞬烯(Bullvalene,分⼦式C10H10)。
瞬烯,如同它的名字,是⼀种瞬息万变的分⼦——碳原⼦之间⼀直在互相交换位置,不断变换着结构,可以有多达120万种结构。实验原理如下图所示。研究⼈员将瞬烯分⼦修饰上两个芳⾹环基团,配好溶液。将STM探针靠近镀⾦硅⽚,直⾄距离合适(0.7-1.5纳⽶),等待分⼦进⼊探针与镀⾦硅⽚之间的空隙,抓住分⼦上修饰的两个环,此时电路接通。
然后,慢慢移动探针,拉伸或压缩分⼦,同时测量电导率(即电阻率的倒数),发现电导率随探针位置⽽变,即显示出压阻效应。电导率为什么会变呢?当分⼦被拉伸或压缩后,即让分⼦产⽣不同的形变,分⼦会呈现出不同的结构;我们把分⼦式相同,但结构不同的分⼦称为异构体(Isomer)。不同的异构体有不同的电导率。
异构体有两种来源:构造异构体(constitutional isomerism)和构象异构体(conformational isomerism),前者来⾃原⼦的不同连接⽅式,即形成不同的化学键;后者来⾃原⼦在空间不同的分布⽅式,这是由于化学键的旋转。
对于这⼀结果,研究⼈员还进⾏了理论模拟,阐明了瞬烯的单分⼦压阻效应的机制:构造异构体通过影响电⼦波的⼲涉来影响电导率,⽽构象异构体对电导率的影响来⾃分⼦与电极的相互作⽤。两种异构体还会影响芳⾹环基团与电极的结合。依靠单分⼦控制电阻,这⼀有趣⼯作有诱⼈的潜在应⽤。
⽐如,可做成⼀种新型的压敏电阻器,⽤于⽣物⼒学测量,研究亚细胞尺度上的⼒学问题;有望⽤于检测化学物质、蛋⽩质和酶等⽣物⼤分⼦,在技术上有可能应⽤于⼈机接⼝技术和健康检测设备。此外,通过机械⼒在单分⼦⽔平上控制电导率,这⼀现象有可能⽤于构建分⼦电路,进⽽开发⾼度⼩型化(⼩⾄3-100平⽅纳⽶)的设备。当然,从这项基础研究到实现这些令⼈激动的应⽤,还有很⻓的路要⾛。
最直接的⼀点是降低成本,摆脱昂贵的扫描隧道显微镜,开发出⼀种低成本的实验平台。