坐了近 10 年冷板凳，我终于把单个分子做成了开关(3)

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 "。

（编辑：ASP站长网）