納米技術在操縱分子方面取得突破進展，將平面大分子「立起來」

像樂高玩具一樣通過逐個原子或逐個分子生產和裝配出宏觀尺度的產品一直是人們的一種幻想，由此而催生了分子納米技術的誕生。

而在最近，德國一個研究組將分子移動到了自然狀態下難以達到的位置。在這一過程中，他們將分子作為一個單電場發射器，這些電子的發射由電場激發。

6 月 27 日，這一研究發表在《自然》(Nature) 雜誌上。來自德國 Peter Grünberg 研究中心的科學家操縱了一個平面大分子 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA），讓 PTCDA 分子「站」了起來。

圖 | 科學家將 PTCDA 分子直立在銀金屬層上（左）。通常情況下，PTCDA 分子傾向於「平躺」在銀金屬層上。（圖片來源：Forschungszentrum Jülich）

人類進軍微觀世界

人類真正操縱這些微小的原子和分子大約有 30 年歷史。1990 年，IBM 的物理學家多恩·艾格勒（Don Eigler）曾使用掃描探針顯微鏡（SPM）操縱氙原子拼出「IBM」的字樣；1994 年，中國科學院北京真空物理實驗室在在 Si(111)-7×7 表面利用掃描隧道顯微鏡（STM）針尖加電脈衝移走硅原子，形成溝槽，成功寫出「中國」二字。

雖然操縱原子已有很長的歷史，但操縱分子卻遲遲未獲得突破性進展。與原子不同的是，分子具有特定的形狀，因此，在操縱過程中的取向就顯得十分重要。

為了完成這次難度極高的操作，研究人員通過 SPM 顯微鏡的尖端將兩個銀原子連接到 PTCDA 分子的邊緣，然後將它們抬起，直到分子完全垂直地立在銀金屬層上。PTCDA 結構上與石墨烯相關，人們一般會認為，這種分子傾向於「躺倒」在銀金屬層表面上。

「到目前為止，人們認為這種分子傾向於自發恢復到能量更低的狀態，即躺在銀金屬層上，但事實並非如此。PTCDA 分子直立的狀態十分穩定，這令人很驚訝。即使我們用顯微鏡尖端推動它，它也不會翻倒，而只是擺動後回到直立的狀態。我們目前還只能猜測這背後的原因。」論文的第一作者 Taner Esat 說。

圖 | PTCDA的不同「站立」角度。黑色圓點和紅色方塊代表了銀原子與PTCDA可能的接觸位置。在平移和旋轉的過程中，PTCDA並不會跳過原子的表面。（圖源：Nature）

此外，該團隊還證明了 PTCDA 分子在直立時顯示出與躺倒時的不同電子特性。這一成果可應用於納米電子產品的製作或全息圖的生成。

PTCDA 分子類似於石墨烯的微小碎片，除了用作有機染料，該化合物作為有機半導體引起學者的很大興趣。這一分子操作結果可作為實現分子納米技術的重要基石，並進一步帶來更多顛覆性的技術。這一研究的最終目標是能夠製造任意的分子結構，包括直接從單分子組裝納米結構。

圖 | PTCDA的分子結構

該項成果源於十年來 SPM 操縱分子相關研究的積累。據 Peter Grünberg 研究中心低溫 SPM 小組負責人 Ruslan Temirov 表示，起初他們在 2008 年通過 SPM 精確控制分子的成果至關重要，「這一精確操縱為我們提供了研究分子操作的可能性和必要手段。」

這一分子納米技術已激髮長期以來一直支持這項技術的人們對未來豐富的想像，但 Temirov 認為這項工作的意義遠不止於此。這一研究打開了亞穩態結構研究領域的大門，這些亞穩態結構並不是維持系統最低能量的結構。在這次的研究中，分子並沒有按照熱力學定律預測的那樣「躺倒」在金屬層上。

在文章中，研究人員提到，他們預計其他亞穩態結構也是可以獲得的，這可為材料表面的功能性納米結構設計開闢第三個維度。他們希望開創一種不限於少數預定結構的製造技術，能夠在納米尺度上自由地創建結構。

於利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）負責人 Stefan Tautz 教授表示，「在宏觀世界中，我們的生產過程十分複雜。而在微觀尺度上，我們還遠遠未達到先進水平。以汽車、電腦和房屋為例。這些東西必須由我們來組裝形成，而無法通過大自然自發地創造它們。這正是我們在這個實驗中單分子水平上所做的事情：通過自己的雙手，生產出一種人造的亞穩態結構，並提供特定的功能。」

在活細胞中，分子根據其各自不同特性，以自發的方式進行組裝。而Peter Grünberg 研究中心的研究正在超越這一自然範式，並試圖在製造出的不尋常的結構和新功能之間尋找新的相互作用。

此外，這一技術也使納米級器件的原理驗證以及基本功能的實現成為可能，包括分子邏輯運算、單原子晶體管、單原子磁存儲器等。這些單原子電子器件可成為量子計算機中的重要器件。

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