本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:瞿立建,题图来源:视觉中国
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[1],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。最常见的应用是智能手机内的加速度计,为我们实现计步功能;它也用于汽车感知外来的冲击,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,在汽车工业领域用来测量汽车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,怎么把这么小的东西连入电路呢?
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。[2]
STM-BJ技术示意图。图源:参考文献[2]
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。[3]
瞬烯分子的五种结构。瞬烯分子可以有多达120万种结构。图源:wiki
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。
实验原理示意图。图源:参考文献[1]
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。
潜在应用
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[4];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。[5]
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。[6]
当然,从这项基础研究到实现这些令人激动的应用,还有很长的路要走。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。
本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:瞿立建