踏足单分子光电子学领域的“无人区” 碳基单分子器件研究

涉猎一个尚无人踏足的领域并斩获颇丰，不仅需要过人的学识，更需要具备过人的胆识，然而对于习惯于挑战，从不停歇的郭雪峰老师来说，比起半生碌碌无为，蹉跎岁月，十年磨一剑的艰辛研究反而是充实而快乐的，忠于梦想，追求极致，是“碳基单分子器件研究”项目取得成果的根本原因，也是郭雪峰老师的个人的人生写照。

经过十几年坚持不懈的努力，郭雪峰团队原创性地发展了单分子器件的突破性制备方法，发展了两类分别基于碳纳米管和石墨烯电极、通过共价键键合的稳定单分子器件的普适性制备方法，解决了单分子电子器件制备难、稳定性差的挑战性问题。并在此基础上构建国际首例稳定可控的单分子电子开关器件，入选2016 年度“中国科学十大进展”和“中国高等学校十大科技进展”。

发展了研究DNA导电性的单分子技术，首次定量确定了DNA分子的导电性，结合微流控技术，发展了直接快速的、无需荧光标记的单分子实时电学检测关键技术，并在单分子水平上对生物物理和化学反应动力学进行了一系列的创新性探索，包括DNA多态性研究、氢键的动态相互作用过程、分子间主客体相互作用、亲核加成反应和亲核取代反应。

他们的一系列原创性的科研成果，推动了单分子电子学的发展，为实现单分子化学反应的可视化研究迈出了重要的一步。

凤凰网：“碳基单分子器件研究”是一项什么样的成果？它最大的亮点和创新点是什么？

北京大学长江特聘教授郭雪峰：碳基单分子器件指的是以碳纳米材料（如碳纳米管或石墨烯）为电极、以单个分子为导电通道的光电子器件，是未来分子光电子器件产学研的科学基础，是世界各国致力发展的“根”技术。

在过去近20年的时间里，我们团队及合作者发展了稳定单分子器件的突破性制备方法，解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题，研制了世界首例稳定可控的单分子光开关器件，构建了性能可靠的单分子场效应晶体管，发展了精准的单分子测序及单分子电学检测的核心技术，开拓了单分子科学与技术研究的新领域，部分成果曾获中国高等学校十大科技进展和中国科学十大进展等奖励。比如，利用二芳烯分子为功能中心、石墨烯为电极，通过功能导向的分子工程学成功地克服了二芳烯分子与石墨烯电极间强相互作用的核心挑战性问题，从而突破性地构建了国际首例全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。这也是几十年来我国在分子电子学领域的科学研究第一次发表在《科学》杂志上。

凤凰网：“碳基单分子器件研究”研究最难的地方在那里？您是怎么解决这个难点的？

郭雪峰：单分子器件研究有两个巨大挑战：第一，如何确定所测量的分子是单分子，而不是多个分子？制造一个可靠的单分子器件，可以说是单分子电子学的核心挑战。比如我们想造一个电极，来测量单分子原有的特性。而在微观世界里，即便是纳米电极，它和单分子间的大小也堪比一栋大厦和一个乒乓球。用两栋大厦测量一个乒乓球的导电性，难度可想而知，就会造成“测不准”的现象。第二，如何实现分子与电极间的可靠链接？一方面确保所测到的性质来源于分子，另一方面增强器件的稳定性。我们利用碳纳米管或石墨烯点电极的天然一维特性，通过空间限域效应，把测量分子的数目降低到单分子水平，并通过酰胺共价键实现了分子与电极的稳定链接，从而解决了单分子器件制备难、稳定性差的难题。

凤凰网：“碳基单分子器件研究”的科学价值体现在哪里？

郭雪峰：利用单分子来构建功能光电子器件不仅有可能满足器件的微小化乃至高度集成的需求，也可以为研究材料在分子水平上的本征物理化学现象和规律提供关键技术。该系列技术属于重大关键颠覆性技术，为揭示物质相互转化的内在机理和生命本征现象提供新一代的研究手段和谱学方法，为医学和生命科学提供精准分子诊断技术。

凤凰网：在进行“碳基单分子器件研究”的研究中政府部门给予了哪些支持和帮助？

郭雪峰：北京市科委和北京市自然科学基金在经费和政策上给与了我们长期稳定的大力支持！比如在市科委重大专项“单分子光电开关原型器件研制”的支持下，我们突破了摩尔定律的限制，研制了性能可靠的单分子场效应晶体管，这为发展器件微小化技术奠定了基础。衷心感谢市科委和市基金一直以来的关心和鼎力支持！

凤凰网：“碳基单分子器件研究”目前的研究进行到什么程度了？

郭雪峰：我们团队通过十几年来坚持不懈的努力，在“碳基单分子器件研究”上取得了一系列原创性的研究成果。

我们先后开发了第一代碳纳米管基和第二代石墨烯基的单分子器件，采用独创的虚线刻蚀法完成了具有纳米间隔、末端功能化的石墨烯点电极的制备，进而搭载单分子元件，制备得到具有夹心结构的碳基电极-单分子-碳基电极异质结。

其中，单分子元件可以按照所需求的功能，以分子工程学的方法设计，并通过有机化学的手段来合成。之后，我们通过对分子元件与石墨烯电极的界面调控，成功地实现了单分子的本征功能，比如可逆可控的光致和电致开关效应等；同样，我们还自主研发了基于离子液体栅、固态栅的单分子场效应晶体管，实现了电路元件的基本功能。另外，石墨烯基电路与单分子元件以稳定的共价键连接，为电子设备的稳定性提供了保障。在不久的将来，经过我们对于碳基单分子器件的高度集成后，便可直接投入到工业的生产。

凤凰网：“碳基单分子器件研究”后续还将给我们带来哪些让人意想不到的惊喜？

郭雪峰：基于单分子器件研究平台，我们发展了单分子电学检测的核心新技术，可实现单分子化学反应动态过程的可视化，为揭示物质相互转化的内在机理和生命本征现象提供新一代的研究手段和谱学方法。

相较于其他的单分子检测手段，单分子电学检测具有超高的时间分辨率、免标记原位无损检测以及对于复杂溶液环境有着很高的耐受性等优势。我们通过碳基单分子器件对一系列的化学变化进行监测：如主客体相互作用，氢键形成动力学等自然界基本弱相互作用；又如基本有机反应：亲核取代、亲核加成、光致异构化等，揭示了这些反应的本征机理，被美国《化学与工程新闻》誉为是“具有教科书清晰”的工作。

碳基单分子电路对生物体系也有着很高的兼容性，结合医学和生命科学发展了单分子生物物理研究的新方向，我们围绕中心法则，整合了单分子光学成像和电学测量，精准描绘了生命活动中单个事件的时空过程。如单个蛋白质检测、DNA杂交、ATP转动等，单分子检测平台易于搭建，具有普适性，有望成为物质科学和生命科学研究的主流方法之一，为揭示复杂化反应和生命现象的本征规律提供独特的新策略，可为疾病的早期预防、精准分子诊断和单分子测序提供可靠的技术基础。