每天都會用到的“開關”大家再熟悉不過了，但如果要把一個分子做成一個開關，還要讓它聽話地打開和關閉，這究竟要怎麼實現呢？它又能為我們做些什麼？北京大學化學與分子工程學教授郭雪峰老師帶來分享：《把單個分子做成開關，突破微觀領域的無人區》。
郭雪峰演講視頻：
以下為郭雪峰演講實錄：
大家好，我叫郭雪峰，來自北京大學化學與分子工程學院。
我的工作與單分子電子學相關。分子大家都很熟悉，學化學的都離不開它；電子大家也聽說過，它屬於物理。那麼在它們兩個共同組成的微觀世界裡，會誕生什麼樣的新產物？我們能夠讓它們做些什麼不可思議的事情？
我是怎麼和單分子電子學這樣一個大家聽起來很科幻的領域結緣的呢？說起來，這可能是一段“冰雪奇緣”。
小時候我對物理和化學都很感興趣，尤其酷愛化學。記得上中學時，有一天上完晚自習，回家路上突然飄起了鵝毛大雪。我的家鄉在南方，那是我第一次見到冰雪。我當時非常興奮，仔細地觀察著精美的雪花，看著它飄落在溫暖的手心，然後慢慢地融化流淌。
那時我就好奇地問自己：水分子為什麼這麼反常，結冰後體積會變大？雪花由水分組成，為什麼會呈現出這麼多豐富多樣的形貌？單個水分子到底在微觀上面具有什麼樣的結構？
帶著這些疑問，以及對北方冰雪的嚮往，我來到了北京，分別在北京師範大學化學學院攻讀學士和碩士學位，在中科院化學所攻讀博士學位。
那時我就開始設計合成各種小分子，在分子水平上面把它們組裝成不同結構，看看會實現什麼功能。
比如這張圖片上面的輪烷分子，它可以製成分子機器，也可以進行信息儲存。
漸漸地，我接觸到了一個新的領域——單分子電子學。
分子電子學可以追溯到1959年費曼一場幻想演講——《在底部有很大的空間》。在演講中他指出，“我們為什麼不能把計算機做小一點？比如導線的直徑小到10~100個原子，電路小到幾千個埃”。在他看來，物理學規律不排除用一個個原子製造物品的手段。
這些想法對普通人來說實在是不可思議。大家知道，越小的東西越難製造，現在手機和電腦裡面的電子元件，尺寸已經達到了目前技術的極限。在分子大小上去製造這些元件，可以說是天方夜譚。
但在此後幾十年，分子電子學開始迅速發展。
20世紀70年代，Ratner教授首次從理論上提出了單分子整流器的設想。二十多年後的1997年，Science雜誌發表了Reed教授等人發展起來的第一個測量單分子導電性的實驗技術。
單分子電子學已經發展成為一門新興的學科領域。在這個領域裡，大家都有一個夢想，那就是將單個分子製成光電子器件，甚至集成電路。也正是這樣一個美麗的藍圖吸引了我，讓我產生了濃厚的興趣，最終決心投身到分子電子學的研究領域中。
然而，突破性的技術創新往往非常漫長又充滿變數，任何一個偶然的事件都有可能阻礙它的發展。
2002年，一件醜聞把單分子電子學拉入低谷——曾經的超級學術新星肖恩（Jan Hendrik Schön）被發現文章造假和嚴重的學術不端。不但他自己名譽掃地，由於他曾連續發表過單分子半導體研究，也給這個領域帶來了沉重一擊。研究先驅們因此紛紛轉變了方向，單分子電子學陷入了低谷。
那個時候就有人勸說我，你的研究領域實在是太難，可以考慮換一個方向。我相信我換了方向之後也會做得很好，那到底是換個方向還是堅持？我的答案是後者，因為我想把這件自己感興趣的事情做到極致。
2004年，我去美國哥倫比亞大學一個專門做單分子物性研究的納米中心做博士後，接觸到了這一領域的頂級資源。
2007年，我回到北大任教，便開始鑽研和完善單分子器件製備的關鍵技術。
我想完成的第一個挑戰就是將單個分子製成穩定可控的開關。這是一個世界級的難題，之前沒有人成功過，也沒有相關經驗可以參考。也就是說，我們要挑戰的是一個充滿艱難險阻的“學術無人區”。
第一個挑戰是要選擇能夠做成開關的分子。我們把目光聚焦在圖中這個分子上面，它叫二芳烯，主要由兩個噻吩環通過一個雙鍵相連組成，形狀像一個蝴蝶。
為什麼稱它為“魔幻分子”呢？
因為如果把這個分子放在溶液當中，我們可以用紫外光和可見光去調控分子在開環、關環兩種結構的可逆變化，從而實現開關的功能。
2007年，我和我的合作者將兩種“魔幻分子”接在碳納米管的電極上，製備成了電子器件。
很遺憾，經過多次嘗試，這些器件僅僅實現了單向的從低態到高態。也就是說，
只能讓分子從關閉到打開，不能讓它從打開到關閉，沒有實現可逆性。這樣的結果對我們來說是當頭一棒，隨之而來的是情緒的低落和遺憾。後來經過多年的仔細思考，我們認為問題在於電極。分子與電極間的強強相互作用影響到了分子原有的性質，所以分子失去了開環的能力。要想辦法改變分子的結構，才能解決問題。
所以，我們必須找到高效製備單分子器件的方法。
製備一個穩定的單分子器件一直是單分子電子學領域的核心挑戰。
打個比方，我們想要製備電極來測量單分子原有的性質。在微觀世界裡，即便是納米電極，它和單個分子之間的尺寸差異也堪比一棟大廈和一個乒乓球。用兩棟大廈去測量一個乒乓球的導電性，難度大家可想而知，會造成“測不準”的現象。
針對這些問題，我和我的合作者提出了利用碳納米管和石墨烯為電極製備穩定的單分子器件的突破性方法，然後再通過化學鍵將分子與電極相連。這樣一來，就很好地解決了單分子器件製備難、穩定性差的挑戰。
有了這個平臺，我們又進一步設計了三種升級版的二芳烯分子，把它們接在石墨烯電極上製備光電子器件。然而非常遺憾，這些器件還是隻能單向地從低態到高態，沒有實現可逆性，結果又一次地打擊到了我們。
這種瞬間的希望到失望，我們經歷了三次，跌宕起伏，猶如過山車一樣讓人難以承受。坦誠地講，那時我的心情也難免有波動和低落。但我很快調整好了自己的狀態，並鼓勵學生：“
我們已經實現了單向，如果不堅持接著做，別人也做不到。”實際上，當時我還是有點心虛，因為不知道繼續堅持會不會成功。但是我想，我們已經坐了五六年冷板凳，再坐幾年也無妨。
學生相信了我，我們一起咬緊牙關，從失敗中總結經驗、分析原因，通過分子工程學進一步改變分子，最終真的取得了重大突破。
從2006年到2016年，長達10年的時間裡，我們的團隊歷經艱辛，“四渡赤水”攻克難關，終於使得國際首例穩定可控的單分子電子開關器件誕生在中國。
圖中就是我們製備的單分子電子開關。如果用紫外光照射，這個分子就會發生關環反應；如果用可見光照射，它又會打開。
2016年6月17日，這項研究成果發表在國際頂級學術期刊Science上面，這也是幾十年來我國分子電子學領域的研究結果首次發表在Science上。審稿人給了我們很高的評價：“數據留下極其深刻的印象……在以前任何工作中從未見過數據如此詳實、開關功能如此強大的單分子器件。”
我們申請了發明專利，同時也得到了各種雜誌和媒體的亮點報道。Science同期也不吝對我們的工作進行高度評價：“這一研究所示範的科學展示了在納米尺度上對物質的精緻控制，這是一個憑藉自身的努力、可敬的智力追求，具有廣泛的長期效應”。這項研究成果也同時入選了2016年度“中國高等學校十大科技進展”和“中國科學十大進展”。
最近，我們還利用另一種魔幻分子——偶氮苯分子，研製出了第二種全可逆的雙模式單分子電子開關器件。我們可以在溶液中、在固態條件下，通過兩種方式調控分子在兩種結構的變化，從而實現可逆的開關效應。
這些實驗結果一致證明，我們的確可以利用單個分子來構建光電子器件。這為分子電子器件的潛在的應用邁出了關鍵的一步。
這些科學研究已經重新激起了單分子電子學領域的熱潮，吸引了學者們廣泛的研究興趣。
類似這樣的單分子電子器件在未來會有哪些應用呢？
舉個例子，大家可能知道中興事件和華為事件，芯片技術是我國一個“卡脖子技術”。我們也許可以另闢蹊徑，利用單分子器件製作集成電路，也就是單分子芯片技術，大大提高器件的集成度和功能。如果研製成功，我們就有望發展顛覆性的芯片核心技術，打破國外對芯片技術的壟斷。
除此之外，單分子電子器件還可以在基因測序和精準診斷技術等領域一展風采。
我們的研究進入了“科學無人區”，由於研究領域的“高門檻”，鮮有同行者。但也正是我們對夢想的執著，讓我們最終能夠在微觀世界遨遊，深入到化學和生命科學的底部空間，去直接觀測單分子，揭示物質轉換的規律和生命現象的奧秘，體會其間的無限精彩。
我們將繼續以忘我的境界一往無前，未來可期。
謝謝大家。
演講嘉賓郭雪峰：《把單個分子做成開關，突破微觀領域的無人區》
作者：郭雪峰
編輯：Yuki、凝音
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