北京大學(xué)郭雪峰課題組在單分子開(kāi)關(guān)器件研究中取得重要進(jìn)展
偶氮苯分子作為典型的光致變色分子，在紫外和可見(jiàn)光的照射下，可實(shí)現(xiàn)順式與反式結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化。在單分子水平研究偶氮苯分子的異構(gòu)化，不僅能實(shí)時(shí)觀測(cè)單個(gè)異構(gòu)化事件的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示其對(duì)外界刺激響應(yīng)的規(guī)律，同時(shí)也有望實(shí)現(xiàn)單分子水平的開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)器等，從而實(shí)現(xiàn)器件微型化/功能化的目的。近幾年，在掃描隧道顯微鏡中觀察到了電場(chǎng)誘導(dǎo)偶氮苯分子異構(gòu)化的現(xiàn)象，但是其異構(gòu)化的機(jī)理尚不明確。近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組、中國(guó)科學(xué)院物理研究所孟勝課題組和加拿大麥吉爾大學(xué)郭鴻課題組合作在石墨烯基單分子器件的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)能有效調(diào)控偶氮苯分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象（圖1a），結(jié)合理論揭示了偶氮苯分子雙模式異構(gòu)化的內(nèi)在物理機(jī)制。
圖1：a，偶氮苯單分子器件的結(jié)構(gòu)示意圖；b，偶氮苯順?lè)唇Y(jié)構(gòu)的偶極矩變化
他們與合作者設(shè)計(jì)合成了以三聯(lián)苯為主鏈，偶氮苯為側(cè)鏈的分子，并在末端修飾上氨基，通過(guò)酰胺鍵將分子連接在石墨烯電極之間。該分子的反式與順式兩種不同的構(gòu)象不僅在分子結(jié)構(gòu)上有較大的差異，而且其偶極矩在沿主鏈方向上也有很大的不同（圖1b）。利用單分子器件平臺(tái)，他們通過(guò)電學(xué)手段系統(tǒng)研究了偶氮苯分子對(duì)偏壓以及光照的響應(yīng)規(guī)律。分子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響分子的軌道能級(jí)，進(jìn)而在電學(xué)測(cè)試中通過(guò)電導(dǎo)的變化表現(xiàn)出來(lái)。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偶氮苯分子在某一方向的電場(chǎng)下，會(huì)發(fā)生由反式到順式的構(gòu)象變化，即電場(chǎng)會(huì)誘導(dǎo)偶氮苯分子異構(gòu)化（圖2）。結(jié)合理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)由于反式與順式結(jié)構(gòu)下偶氮苯分子沿主鏈方向的偶極矩不同，因此電場(chǎng)對(duì)分子能量的調(diào)控能力有差異。在某一個(gè)電場(chǎng)方向下，隨著電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的增加，偶氮苯分子順式結(jié)構(gòu)與反式結(jié)構(gòu)的能量差逐漸減小，繼續(xù)增加電場(chǎng)強(qiáng)度，順式結(jié)構(gòu)的能量就會(huì)低于反式結(jié)構(gòu)的能量，順式結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。而在相反的電場(chǎng)方向下，順式結(jié)構(gòu)與反式結(jié)構(gòu)的能量差隨著電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大，反式結(jié)構(gòu)始終是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，在低偏壓條件下他們還實(shí)現(xiàn)了在不同波長(zhǎng)的光照下偶氮苯分子在反式與順式結(jié)構(gòu)之間的可逆調(diào)控（圖3）。該工作結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論成功地構(gòu)建了一類全可逆的光誘導(dǎo)和電場(chǎng)誘導(dǎo)的雙模式單分子光電子器件，并首次提出了通過(guò)“側(cè)基化學(xué)門(mén)控”方法實(shí)現(xiàn)單分子導(dǎo)電性實(shí)時(shí)調(diào)控的新手段。石墨烯電極和偶氮苯分子間牢固的共價(jià)鍵鏈接方式使得這些單分子開(kāi)關(guān)器件具有良好的穩(wěn)定性和可重現(xiàn)性，在未來(lái)高度集成的信息處理器、分子計(jì)算機(jī)和精準(zhǔn)分子診斷技術(shù)等方面具有巨大的應(yīng)用前景。
圖2. 電場(chǎng)誘導(dǎo)的偶氮苯分子異構(gòu)化
圖3. 光誘導(dǎo)的偶氮苯分子異構(gòu)化
該研究成果以“Side-group chemical gating via reversible optical and electric control in a single molecule transistor”為題發(fā)表于2019年3月29日在線發(fā)表在Nature Communications上（Nature Communications 2019, 10, 1450）。北京大學(xué)郭雪峰教授、中國(guó)科學(xué)院物理研究所的孟勝研究員和加拿大麥吉爾大學(xué)郭鴻教授為該工作的共同通訊作者，文章的共同第一作者分別是孟勝課題組的孟利楠、郭雪峰課題組的辛娜和郭鴻課題組的胡晨。該工作得到了來(lái)自科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市科委和北京大學(xué)等基金的支持。感謝武漢大學(xué)汪成教授和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的張廣宇研究員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的大力幫助。
鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09120-1
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開(kāi)發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com