有120万种变化的分子，仅需一个就能控制电阻！

近期研究人员实现了用一个分子制成压敏电阻。

撰文 | 瞿立建

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。

压阻式压力传感器。图源：wiki

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。

参考文献

[1] Reimers, J.R., Li, T., Birvé, A.P. et al. Controlling piezoresistance in single molecules through the isomerisation of bullvalenes. Nat Commun 14, 6089 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41674-z

[2] 物理化学学报, 2019, 35(8): 829-839 doi: 10.3866/PKU.WHXB201811027

[3] Molecule of the Week Archive, 2005-1-4, ACS, https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/b/bullvalene.html

[4] Norman, J., Mukundan, V., Bernstein, D. et al. Microsystems for Biomechanical Measurements. Pediatr Res 63, 576–583 (2008). https://doi.org/10.1203/PDR.0b013e31816b2ec4

[5] https://www.curtin.edu.au/news/media-release/electronic-sensor-the-size-of-a-single-molecule-a-potential-game-changer/

[6]Chem. Soc. Rev., 2014, 43,7378, https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2014/cs/c4cs00143e

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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