我的分子nanocomputer在哪里?

挤压了电子元件的大小从每个新一代的小工具中提取更多的性能是一种趋势和电子行业本身一样古老。早期的电子军备竞赛的第二次世界大战的武器系统——当尖端电子与晶体二极管发出嗡嗡声,真空管和水银开关制造商获得了移动微型然后sub-miniaturised真空管。他们的规模越小,越能挤进电路。

所以也许应该不足为奇,个分子级电路的概念,电子产品小型化的最终表达式——日期回来战后时期。在1950年代,美国空军人员与新一代的电子对抗基于最近发明的硅晶体管技术。真空管相比,晶体管小得多,跑酷,使更复杂的电路设计帮助美国空军飞行硬件和更快的比以往任何时候都高。然而,这些航班将羽翼未丰的硅晶体管电路通过最终的压力测试,和失败是经常发生的。面对这样的脆弱,美国空军对替代电子技术工程师们开放。

单分子电子研究再次复兴

1956年,麻省理工学院的物理学家von Hippel阿瑟提出了一个激进的,自底向上的方法基于分子工程电子设计和组装。”而不是将预制材料和试图设计工程应用程序符合其宏观性质,构建一个从原子和分子材料为目的,”冯说。三年后,理查德·费曼给了他著名的“足够的空间底部”讲座。von Hippel启发的愿景,在1959年美国空军发起了700万美元(约£4000万今天)与西屋联合研究项目开发分子电子学。

该项目是短暂的。同样在1959年,研制了一种硅集成电路制造的新方法,同时提出了下一步在小型化使芯片更便宜、更可靠。随后在硅片性能指数进展——由晶体管密度每两年翻一番——被戈登·摩尔在1965年出版,被称为摩尔定律。

尽管USAF-Westinghouse雄心勃勃分子的电子产品项目在1962年罐头,淹没了硅的迅速进步,单分子电路组件定期重新浮出水面。今天,硅晶体管降到个位数纳米节点大小和迅速接近重体力缓冲停止进一步小型化,因此彻底替代在板凳上。单分子电子研究再次复兴。

越来越可靠的方法来捕获单分子双电极之间,与此同时,已经迅速通过化学家解决研究问题超出计算。

足够的空间在STM小费

除了空军月球探测器,分子电子学可以说是出生于1974年的理论发表的论文马克•拉特纳理论化学家在美国纽约大学,和IBM合成化学家Ari艾维瑞姆。两人提出了一种基于特定极性有机分子,可以发挥功能作用的电子组件称为整流器。

当时,除了使该分子的合成挑战——多个技术壁垒阻止概念付诸实践。没有办法把单个分子功能电路,让连接数百万或数十亿这些分子所需要的芯片。

科学家修改了STM电路的单分子

近半个世纪以来,已经取得了重大进展克服第一个技术障碍,Nadim达尔维什指出,分子电子珀斯科廷大学的研究员,澳大利亚。“发明了扫描隧道显微镜(STM)形象单一分子,甚至单个原子,但随着该领域的先进,我们意识到我们可以不仅形象分子戳他们,使电子与他们接触,”他说。作为成像仪器,显微镜技巧是在水面上举行。”一些科学家修改了显微镜与单个分子接触,创造一个电路的单分子。单分子发起的电子。

出现了典型的协议是线性有机分子与含硫锚定组两端放在黄金STM的衬底。黄金技巧是降低表面,然后稍微抬起。幸运的是,分子的一端坚持小费而另一端仍然固定在亚态,因此分子桥之间的差距,形成一个电路。你可以测量电流通过认为分子,”达尔维什说。一个相关的方法可以使用原子力显微镜,他补充道。

但由此产生的电路是脆弱的。“几分之一秒之后,它休息,”达尔维什说。“分子接触的黄金的性质仍然是争论——有些人称之为semi-covalent——但它不是像一个合适的共价键。可以做的实验,在这样一个短暂的单分子电路是有限的。“我们想做一个适当的共价键电极,所以你有一个单分子共价键在每一方。

达尔维什的策略是利用硅而不是黄金STM的尖端和衬底。“硅与碳形成共价键,氧,硫,所以它为我们提供了一个工具结存活较长时间,我们可以达到几秒钟,”他说。在那个时间段,团队可以调查电路由stimuli-responsive分子开关当前,类似于一个晶体管。这是足够长的时间来做一些电化学控制通过切换之间的分子氧化和降低的状态,或发光光和显示开关switchability,”达尔维什说。相关方法来生成健壮molecule-electrode连接已达到单分子电路稳定性的几个小时甚至几天在室温下,他补充道。

建立联系

雪峰郭北京大学在中国和他的合作者已经采取了类似的方法,使用碳纳米材料代替黄金形成很强的共价键的单分子弥合差距。”在我的实验室里我们有几个研究方向,但首先是开发可靠的方法进行单分子连接,”郭说。我们的第一代方法使用碳纳米管使用电极单分子设备,和第二代使用石墨烯使用电极单分子设备。现在我们正在开发第三代加工过程基于石墨烯形成单分子与原子精密电路,可靠和稳定。

即使他们的第二代路口,最近创建的团队单分子功能的版本今天的关键构件的计算机电路、场效应晶体管(FET)。场效应晶体管的工作原理是,通过晶体管电流,从源漏极电极,可以由电压控制第三电极栅电极,开关晶体管之间的状态。

下一步我们必须将几个组件结合在一起,有一个逻辑门

在郭敬明的情况下,团队共价连接一个双核的ruthenium-diarylene石墨烯源极和栅极之间的复杂,金属氧化物栅电极。电流通过分子可以可逆地切换使用light-driven开环和关闭反应。ring-open形式,然而,目前也可以使用电压门控制的。因此设备操作作为一个固态单分子场效应晶体管,在室温下稳定。“很有前途”,郭说。如果我们能解决这些设备集成在一起的问题,未来即将到来。

文晶香港中国厦门大学的可以证明,然而,这是说起来容易做起来难。建立单分子模拟传统电脑电子产品,连接多个分子组件电路将是一个关键的步骤,因为功能逻辑电路需要多个组件——例如,晶体管和二极管。当我完成我的博士2013年在瑞士,我在我的论文中写道,“下一步,我们必须将几个组件结合在一起有一个逻辑门,“‘香港回忆说。但直到现在,没有人真的实现了。我们不能建立任何形式的集成电路的基本门电路。这是最大的瓶颈。

2019年,洪教授和他的同事发表了他们自己的分子晶体管,由thiophene-based分子固定在金电极之间。尽管相当大的努力,然而,球队一直无法字符串两个单分子在一个电路。我们花费了巨大的努力,我把几乎10个博士和硕士学生在这个项目中,连接两个晶体管的想法。不是从1到100万个晶体管,只是从一个到两个,但即使我们没有成功,”他说。“我们必须找到另一种方式。”

进入化学家

前进,香港正寻求化学工作他解决这个问题的方式。而不是直接复制的功能有机分子传统电子元件,如晶体管和二极管,概念设计多功能分子本身可以作为一个逻辑门操作,因此不需要多个分子连接到每个逻辑电路。

越来越关注化学反映了一个更广泛的趋势,达尔维什说。很长一段时间,这个领域是由物理学家,集中在电气工程,”他说。最近,许多化学家参与。

达尔维什说,兴趣是双重的。”以及利用分子电子,我们可以使用电子设置研究化学反应。技术的成熟度已经达到,许多化学家可以访问它。在我看来,这些技术的化学使用将真实世界的结果在分子电子学应用程序之前,”他补充道。

一个概念是静电催化:使用一个强大的电场有选择地驱动的运动电子与特定bond-making或业务事件相关联,对所需的产品。例如,达尔维什和他的合作者探讨了STM的工具在单分子水平研究,静电对Diels-Alder反应催化作用。对于实际的合成应用程序,一种可能性是使用微流体流动反应物之间的两个紧密间隔的电极,达尔维什说。

小说STM单分子连接的应用程序也被郭先生和他的同事们探讨。”的基础上我们的第三代设备制造平台,我们介绍一些初步研究结合生物学、化学、材料、物理,”郭说。的例子中,我们使用的是单分子设备有机化学反应的动态过程的可视化,可以揭示内在机制和开发新的化学。”

郭最近使用的工具来解决长期以来争论的机制古典Suzuki-Miyaura交叉耦合,中流砥柱的有机合成反应。的时间分辨率STM技术是如此之高,几十兆赫带宽,可以重复测量在nano -皮跟随反应的步骤,”达尔维什说。通过捕获Suzuki-Miyaura的N杂环carbene-palladium一双石墨烯电极之间的催化剂,催化循环的每一步可以观察到,和精确的机制的阐明transmetallation一步。这是不可能的其他技术,”达尔维什说。许多化学家很感兴趣这方面的技术。“其他经典包括亲核置换反应最近研究的技术。

其他人正在使用技术作为电子传感器,例如从短链RNA提取序列信息。另一个领域的研究是开发单分子生物物理领域的医学应用,”郭说。你可以达到单分子检测的最终目标,对准确的护理诊断。”使用了一种叫做dielectrophoretic捕获,极性分子的样本,如DNA或蛋白质,可以卷入电极间距通过电场的应用。

该工具还允许对单个分子的基本属性。“我喜欢的基本信息电子结构,从单分子运输研究,”路易斯·坎波斯表示,在纽约哥伦比亚大学的一个化学家,我们。它帮助我们了解大分子特性从他们的构建块。

坎波斯最近共同研究生成稳定oligophenylene-bridged bis (triarylamines)和mono - di-radical阳离子特性,分别固定在两个金电极时,表现为高导电分子导线。由于其激进的性质,通过线电导分子的长度增加而增加,球队显示。

从单分子中提取信息和实现这些概念在化学可以仍然相当的挑战,坎波斯笔记——但极具价值。“获取信息从光化学过程在单分子仍然是相当困难的,和相同的自旋过程的开放壳系统和激发态。但这当然是来了,从化学的角度来看,”他说。

你好，世界

化学家可能享受追求的工具,开发了化学分子nanocomputer——但是,反过来,也为单分子电子线路的原始目标作出贡献。

洪教授和他的团队使用单分子实验探讨静电灵感来袭时催化有机反应的影响。我们开始怀疑,如果我们可以利用这一效应来操纵一个单分子逻辑门,”他说。而不是将多个分子连接成一个电路实现逻辑函数,一个多功能单分子——一个可以翻转使用电场在两国之间达到同样的效果,消除了需要连接多个分子电路?

2022年7月,团队发布了他们的最新一步,室温下稳定metallofullerene-based单分子记忆电阻的设备。C_88年富勒烯笼子里包含一个(Sc₂C₂)集团的取向可以翻转两个稳定状态之间使用电压脉冲。当电流通过分子在每个州不同,分子可以执行作为一个逻辑门,也被用于数据存储。

最初这工作并不是电子产品,它是研究化学反应,但我们发现这种效应可以用来旋转在这些富勒烯金属簇的偶极子,”洪说。现在我们有分子逻辑门,原则上我们可以设计一个芯片与分子设备可以有一些基本的逻辑功能。甚至如果它就像“Hello world !”分子计算机”、“你好!”

现在的目标是将100年甚至1000年富勒烯在芯片逻辑门,香港说。我们正在努力实现的东西在时间把分子电子学的50岁生日,50年以来非常有名的1974年的论文通过拉特纳和艾维瑞姆,”他说。

如果我们能使芯片在两年内我们预计,这项技术还很远离工业,”香港补充道。但即使是非常慢,非常愚蠢,即使它不是经济或有效,没有比硅——如果它演示了基本功能,这仍然是一个很大的进步分子电子学和化学家们认真考虑未来。”

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚