最近，研究人员用单个分子制造了一种压敏电阻。
撰写者 |曲立坚.
最近，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）中实现了一种单分子压敏电阻[1]，该压敏电阻可以通过对该分子施加不同大小的力来获得不同的电阻，即表现出压阻效应。
压阻效应和应用。
2024年，威廉·汤姆森爵士（Sir William Thomson）在金属材料中首次发现了压阻效应，其表现为施加在其上的外力，其电阻率会发生变化。
利用压阻效应制造的器件具有广泛的应用范围。 最常见的应用是智能手机内部的加速度计，它使我们能够计算步数;它还用于汽车中感知外来碰撞并触发安全气囊或防抱死制动系统。 具有压阻效应的材料也被开发成压阻式压力传感器，当压力发生变化时，电路输出与压力成正比的信号，将机械力转换为其他可测量的物理量。 例如，它在医疗领域用于测量血压，在世界范围内用于测量汽车发动机的油压和气压。
压阻式压力传感器。 资料来源：维基
上海大学和澳大利亚的一个联合研究小组是如何发现单个分子也可以表现出压阻效应的？
首先，单个分子需要连接到电路上，但是分子太小了，只有10纳米左右，这么小的东西怎么能连接到电路上呢？
研究人员应用了扫描隧道显微镜裂解技术（STM-BJ，参见Science 301,1221,1223（2003））。实现了它的目标。 他们将扫描隧道显微镜（STM）探针修改为一个电极，另一个电极为镀金硅晶片探针电极被反复向前推，向相反方向拉动，使探针与硅片镀金衬底之间不断出现纳米尺寸的间隔，恰好目标分子进入这个纳米间隔，将两个电极连接起来，即形成一个“结”，打开单分子电路， 以便进行相关测量。[2]
STM-BJ技术示意图。 资料来源：参考文献[2]。
有 120 万个分子在变化。
达到单分子压阻效应的分子称为Bullvalene（分子式C10H10）。 瞬时，顾名思义，是一种快速变化的分子——碳原子之间不断交换位置，不断改变结构，可以有多达120万个结构。 [3]
反式烯分子的五种结构。 瞬时烯分子可以有多达 120 万个结构。 资料来源：维基
实验原理如下图所示。 研究人员用两个芳香环基团修饰了瞬时烯分子，并制备了溶液。 将 STM 探头靠近镀金硅晶片，直到适当的距离 （0.）。7-1.5纳米），等待分子进入探针与镀金硅片之间的空间，抓住分子修饰的两个环，电路导通。
然后，在测量电导率（即电阻率的倒数）的同时，缓慢移动探头以拉伸或压缩分子，发现电导率随探头位置而变化，显示出压阻效应。
实验原理示意图。 资料来源：参考文献[1]。
为什么电导率会发生变化？
当分子被拉伸或压缩时，分子会以不同的方式变形，分子会呈现出不同的结构我们将分子式相同但结构不同的分子称为异构体。 不同的异构体具有不同的电导率。 有两种类型的异构体**：结构异构和构象异构，前者来自原子连接的不同方式，即形成不同的化学键后者来自原子在空间中分布的不同方式，这是由于化学键的旋转。
为此，研究人员还进行了理论模拟，以阐明瞬态单分子压阻效应的机理：构造异构体通过影响电子波的干涉来影响电导率，而构象异构体通过分子与电极的相互作用影响电导率。 这两种异构体还影响芳环基团与电极的结合。
潜在应用。 依靠单个分子来控制电阻器，这项有趣的工作具有有吸引力的潜在应用。 例如，可以制造一种新型压敏电阻用于生物力学测量，以研究亚细胞尺度的机械问题[4];有望用于检测化学物质、蛋白质、酶等生物大分子，在技术上可应用于人机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有可能用于构建分子电路和开发高度小型化的器件（小至3-100平方纳米）。 [6]
当然，从这项基础研究到实现这些令人兴奋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，开发低成本的实验平台。
引用。 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).
2] 物理化学学报， 2019， 35（8）： 829 -839 doi： 103866/pku.whxb201811027
3] molecule of the week archive, 2005-1-4, acs,
4] norman, j., mukundan, v., bernstein, d. et al. microsystems for biomechanical measurements. pediatr res 63, 576–583 (2008).
6]chem. soc. rev., 2014, 43,7378,
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