创新超越！美国通过环境控制功能性分子，实现电子器件可调控性

文/万物知识局

编辑/万物知识局

近年来，随着纳米技术和分子电子学的快速发展，科学家们开始探索利用功能性分子构建新型的电子器件。其中一种引人注目的研究方向是通过环境控制实现分子电子器件的功能性调节 。这种方法利用环境中的物理或化学参数来改变分子结构和性质，从而实现电子器件的可调控性和多功能性。

一种常见的环境控制方法是利用温度。温度的变化可以引起分子内部键长、振动模式和电子结构的改变，进而影响分子电子器件的导电性、光电响应和传输特性。例如，通过调节温度可以实现分子导线的导电性切换，将分子电子器件从导电状态转变为绝缘状态或反之。这种温度敏感的分子电子器件在电子温度计、热敏电路和温控传感器等领域具有广泛的应用前景。

除了温度，其他环境参数如压力、光照、溶液pH值等也可以用于控制分子电子器件的性能。例如，在某些分子晶体 中，施加外界压力可以改变晶格结构，进而调节电子传输的通道和速率。这种基于压力调控的分子电子器件可应用于压力传感器、力敏开关等领域。此外，通过光照或光敏剂的作用，可以实现光开关、可见光控制的逻辑门等器件，具备信息处理和通信方面的潜在应用。

另一个重要的研究方向是利用化学环境的变化来调控分子电子器件。通过改变溶液pH值、添加特定的化学配体或反应物，可以调控分子电子器件的形态、结构和功能。例如，通过引入可被还原或氧化的官能团，可以实现电子器件的可逆电化学开关；而将特定的金属离子或有机配体引入分子结构中，则可实现金属离子传感器、催化器件等应用。

通过环境控制的功能性分子电子器件不仅为纳米电子技术的发展提供了新的思路和可能性，还为电子器件的可调控性、智能化和多功能化提供了新的途径。然而，目前在实际应用中，仍然存在一些挑战和难题，如器件的稳定性、可控性的精度和器件制备的可扩展性 等。因此，未来需要进一步深入研究和探索，以提高这类分子电子器件的性能，并促进其在各个领域的广泛应用。

一、温度敏感功能性分子的可重置逻辑门设计与实现

主要介绍了一种基于温度敏感功能性分子的可重置逻辑门的设计与实现。通过调节温度，利用温度敏感性功能性分子的结构变化，实现逻辑门的开闭状态的可控调节。具体而言，我们利用温度对功能性分子内部键长、振动模式和电子结构的影响，设计了一种可以在特定温度下切换逻辑状态的器件。

逻辑门作为计算机和电子电路中的基本组成单元，在信息处理领域具有重要作用。然而，传统的逻辑门存在固定的逻辑状态，难以实现灵活的调节和可重置性 。因此，基于新材料和新技术的可重置逻辑门的设计和实现备受关注。

采用温度敏感性功能性分子作为关键材料，将其集成到逻辑门的设计中。通过调节温度，功能性分子的结构发生变化，导致逻辑门的导通或隔断状态的切换。为了实现这一目标，我们选择了一种温度敏感的分子材料，并对其进行了设计和合成。接下来，我们将功能性分子与电极材料相结合，构建了可重置逻辑门的器件结构。

通过实验验证，我们成功地实现了基于温度敏感功能性分子的可重置逻辑门。在低温下，功能性分子处于一种结构状态，使得电流可以通过逻辑门，实现逻辑"1"的输出。而在高温下，功能性分子结构发生变化，导致电流无法通过逻辑门 ，实现逻辑"0"的输出。通过调节温度，逻辑门的工作状态可以被可重置，实现了逻辑门的多功能性和灵活性。

成功地设计并实现了一种基于温度敏感功能性分子的可重置逻辑门。通过温度调控，利用功能性分子的结构变化，可以实现逻辑门的开闭状态的可控调节。这一新型器件具有潜在的应用前景，可在信息处理、智能系统和可编程电路等领域中发挥重要作用。进一步地，未来的研究可以进一步优化器件性能，提高逻辑门的稳定性和可扩展性，推动这种基于功能性分子的可重置逻辑门的实际应用。

二、利用压力敏感功能性分子构建压力传感器

介绍了一种利用压力敏感功能性分子构建高灵敏度压力传感器的方法。通过施加外界压力，功能性分子的晶体结构发生变化，进而调节电子传输的通道和速率，实现对压力的测量和监测。该设计可为实现高精度、高灵敏度的压力传感器 提供新的思路和方法。

压力传感器在工业、医疗和环境监测等领域中起着关键作用。然而，传统的压力传感器往往存在灵敏度不高、响应速度慢等问题。因此，寻找一种新型材料和方法来构建高灵敏度的压力传感器具有重要意义。

选择了压力敏感功能性分子作为关键材料，并将其应用于压力传感器的构建。通过施加外界压力，功能性分子的晶体结构发生变化，从而影响电子传输的通道和速率。我们设计了一种合适的器件结构，将功能性分子与电极材料 相结合，并通过电流测量等手段来实现对压力的测量和监测。

经过实验验证，我们成功地构建了一种基于压力敏感功能性分子的压力传感器。当外界施加压力时，功能性分子的晶体结构发生变化，导致电子传输通道的改变，从而引起电流的变化。通过测量电流的变化，可以准确地反映所受到的压力大小。实验结果显示，该压力传感器具有高灵敏度和快速响应的特点。

成功地利用压力敏感功能性分子构建了一种高灵敏度压力传感器。通过调节功能性分子的晶体结构，实现对压力的测量和监测。这种设计提供了一种新的思路和方法，可以为实现高精度、高灵敏度的压力传感器的发展提供借鉴和参考 。未来的研究可以进一步优化器件的性能和稳定性，扩展其在各个领域的应用，推动压力传感技术的发展。

三、光敏功能性分子调控的光开关设计与优化

介绍了一种利用光敏功能性分子调控的光开关设计方法，并重点讨论了光开关的优化策略。通过操控光敏功能性分子的结构和光感应特性，实现对光开关的开闭状态的可控调节。在设计过程中，考虑了光开关的响应速度、稳定性和光学性能等关键指标，以提高光开关的效率和可靠性。

光开关作为一种重要的光学器件，在光通信、光存储和光计算 等领域具有广泛应用。然而，传统的光开关往往受到材料特性和器件结构的限制，难以实现灵活的调节和优化。因此，利用光敏功能性分子调控的光开关设计和优化备受关注。

采用光敏功能性分子作为关键材料，并将其应用于光开关的设计中。通过调控光敏功能性分子的结构和光感应特性，实现光开关的开闭状态的可控调节。在设计过程中，我们考虑了光开关的响应速度、稳定性和光学性能等关键指标。通过优化分子结构、选择适当的激发光源和调节器件结构参数，提高光开关的效率和可靠性。

经过实验验证，我们成功地设计并优化了一种光敏功能性分子调控 的光开关。通过操控光敏分子的结构和光感应特性，实现了对光开关的可控调节。实验结果表明，所设计的光开关具有快速响应、稳定性好和光学性能优异的特点。

成功地设计并优化了一种光敏功能性分子调控的光开关，通过操控分子的结构和光感应特性，实现了光开关的可控调节。这一设计方法为实现高效、可靠的光开关提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步优化分子的光敏性能和稳定性，提高光开关的工作效率和可靠性，推动光开关技术的发展和应用。

四、化学环境调控下的可逆电化学开关设计及应用

介绍了一种基于化学环境调控的可逆电化学开关设计方法，并讨论了其在化学传感和分子电子学领域的应用。通过调节化学环境中的物理和化学参数，实现电化学开关的可逆调控和开闭状态的切换。该设计具有高度灵活性和可重复性 ，为实现可编程的分子电子器件和化学传感器提供了新的思路和方法。

可逆电化学开关作为一种重要的功能器件，在分子电子学和化学传感等领域具有广泛应用。然而，传统的电化学开关设计往往受到材料和电极表面反应的限制，难以实现可逆可控的开闭状态。因此，基于化学环境调控的可逆电化学开关设计备受关注。

采用化学环境调控的方法设计可逆电化学开关。通过调节化学环境中的物理和化学参数，如溶液pH值、离子浓度、温度 等，影响电化学过程的动力学和平衡状态，从而实现电化学开关的可逆调控和开闭状态的切换。在设计过程中，我们选择合适的电极材料和分子结构，优化电极表面的修饰和功能化，提高开关的灵敏度和可靠性。

经过实验验证，我们成功地设计并应用了一种基于化学环境调控的可逆电化学开关。通过调节溶液pH值和离子浓度，实现了电化学开关的可逆调控和开闭状态的切换。实验结果表明，该设计具有高度灵活性和可重复性，在不同的化学环境中都能够稳定工作。

该可逆电化学开关在化学传感和分子电子学领域具有广泛的应用潜力。通过选择适当的功能分子和电极材料，可以构建高灵敏度、选择性和快速响应 的化学传感器。此外，该设计还可应用于分子开关、分子记忆器件等分子电子器件的制备。

成功地设计并实现了一种基于化学环境调控的可逆电化学开关。通过调节化学环境中的物理和化学参数，实现电化学开关的可逆调控和开闭状态的切换。这种设计方法为实现可编程的分子电子器件和化学传感器提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步优化电极材料和分子结构，扩展其在更广泛领域中的应用，推动可逆电化学开关技术 的发展。

科学家开发出首个分子电子芯片，实现了50年前的目标

第一个分子电子芯片已经开发出来，其实现了50年来将单分子集成到电路中以达到摩尔定律的最终扩展极限的目标。 据悉，该芯片由Roswell Biotechnologies和一个由领先的学术科学家组成的多学科团队开发，其使用单分子作为电路中的通用传感器元件，并由此创建了一个可编程的生物传感器。

这种传感器具有实时、单分子灵敏度和传感器像素密度的无限扩展性。

这项创新于本周发表在《PNAS》上的文章将为从根本上基于观察分子相互作用的各种领域的进步提供动力，其中包括药物发现、诊断、DNA测序和蛋白质组学。

这项研究的论文共同作者、莱斯大学化学教授、分子电子学领域的先驱Jim Tour博士表示：“生物学的工作原理是单分子相互交谈，但我们现有的测量方法无法检测到这一点。本文所展示的传感器首次让我们聆听到了这些分子通信，这使我们能对生物信息有一个新的和强大的看法。”

分子电子学平台由一个带有可扩展传感器阵列结构的可编程半导体芯片组成。每个阵列元件由一个用于监测流经精密工程分子线的电流的电流表，并组装成跨度很大的纳米电极进而将其直接耦合到电路中。该传感器通过一个中央的工程连接点，将所需的探针分子连接到分子线上以进行编程。观察到的电流提供了探针分子相互作用的直接、实时的电子读出。这些皮安级的电流对时间的测量以数字形式从传感器阵列中读出，速度为每秒1000帧，进而以高分辨率、高精确度和高吞吐量捕获分子相互作用数据。

这项工作的目标是将生物传感置于未来精准医疗和个人健康的理想技术基础之上，论文的资深作者、Roswell联合创始人兼首席科学官Barry Merriman博士补充道，“这不仅需要将生物传感放在芯片上而且要以正确的方式使用正确的传感器。我们已经将传感器元件预缩到分子水平，从而创建了一个生物传感器平台，其将一种全新的实时、单分子测量跟一个长期的、无限制的扩展路线图相结合以实现更小、更快、更便宜的测试和仪器。”

这个新分子电子学平台在单分子尺度上实时检测多原子分子的相互作用。PNAS论文介绍了一系列广泛的探针分子，其中包括DNA、适配体、抗体和抗原以及跟诊断和测序有关的酶的活性--包括CRISPR Cas酶与目标DNA的结合。它说明了这种探针的广泛用途，其中包括快速COVID测试、药物发现和蛋白质组学的潜力。

该论文还介绍了一种能够读取DNA序列的分子电子传感器。在这种传感器中，DNA聚合酶即复制DNA的酶被集成到电路中，其结果是直接用电观察这种酶的作用，因为它在逐个字母地复制一块DNA。跟其他依靠间接测量聚合酶活性的测序技术不同，这种方法实现了对DNA聚合酶结合核苷酸的直接、实时观察。该论文说明了如何用机器学习算法分析这些活性信号以实现对序列的读取。

“Roswell测序传感器提供了一种全新的、直接观察聚合酶活性的方法，并有可能在速度和成本上推动测序技术的额外数量级，”该论文的共同作者、美国国家科学院院士、罗斯威尔科学顾问委员会成员George Church教授说道，“这种超可扩展的芯片为个人健康或环境监测的高度分布式测序以及未来的超高通量应用如Exabyte规模的DNA数据存储提供了可能性。”

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