研究背景
當我們在高中數學中第一次接觸物質結構時，原子的知識是非常重要的一部分。 相信你對下面這張圖很熟悉。
三十一年前的 1989 年 9 月 28 日分子熱運動實驗報告，IBM 阿爾馬登研究中心的科學家馬克教授成為歷史上控制和通信單個原子的第一人。 11月11日，他和團隊用自制顯微鏡操縱35個氙原子，拼出了“I、B、M”三個字母，從而開啟了納米科學和納米技術的新時代。
為了可視化和測試單個分子和原子，我們設計并制造了高溫、超高真空掃描隧道顯微鏡（STM）。 他在實驗中發現，利用STM探針移動單個原子是可能的。 IBM的三個字母由35個氙原子組成，旨在展示所達到的原子級精度和可重復性。 杰克曾在他的專著中將這一舉動稱為萊特兄弟人類歷史上的首次飛行。
IBM研究中心科技部總工程師、IBM教授T.CChen評價道：“直到今天，Don的成就仍然是納米科技史上最重要的突破之一。當時，一切都在發生。”似乎是那么遙遠，就像一部懸疑小說。而現在，兩六年后，那可能是一個決定性的時刻，而它催生的研究最終將帶領我們趕上CMOS和摩爾定理，讓我們使用更多它可以用更少的能源處理世界各地的大量數據。”
這里簡單介紹一下掃描隧道顯微鏡（STM）。 當原子級針尖在小于一納米的高度掃描樣品時，電子云在此重疊，并施加電流（2mV~2V），在針尖和樣品之間形成隧道。 電子由于該效應而逃逸，并產生隧道電壓。 電壓硬度與針尖與樣品之間的距離呈函數關系。 當探頭沿給定高度的材料表面掃描時，由于樣品表面原子的不均勻性，探頭與材料表面的距離不斷變化，從而產生恒定的電壓。 變化發生了。 對這些電壓變化進行成像可以揭示原子水平上的凹凸和凹凸。 STM使人類首次能夠實時觀察物質表面單個原子的排列狀態以及與表面電子行為相關的物理化學性質。 在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中具有重要意義和廣泛應用。 其應用前景被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成果之一。
我們知道分子熱運動實驗報告，分子是由原子按照一定的鍵合順序和空間排列組合而成的整體。 這些鍵合順序和空間排列稱為分子結構。 問題來了，既然人類可以控制原子的連接，那控制單個分子的通訊的能力又如何呢？ 問題并不簡單。
表面上原子和分子的熱誘導擴散通常是一個隨機過程，由原子表面晶格上不相關的跳躍組成； 這是首次通過場離子顯微鏡觀察到的。 分子在表面上的熱運動主要是通過擴散到相鄰的晶格位置，但也預計會有更大的位移。 事實上，分子在表面上表現出四個晶格常數的均方位移，隨著分子與表面相互作用的減少，該位移減少到七個。 原子尺度的運動遵循隨機過程，對分子運動的空間控制是有限的。
但是明天，經過幾六年的不斷努力探索，人類第一次實現了單個分子的連接，我們上去看看吧。
研究成果
英國格拉茨學院格里爾院士的研究小組使用掃描隧道顯微鏡將單個分子帶入具有高平移遷移率的穩定方向，使它們能夠沿著精確定義的軌跡進行通信。 單個 DBTF( ) 分子在銀 (111) 晶面上通信距離超過 150 nm，并以 0.1 埃的極高空間精度進行長距離通信。 這些效應的靜電性質使得可以選擇性地施加敵對力和吸引力來發送或接收單個分子。 高度的控制使得兩個單獨的探針之間的單個和特定的分子實體能夠精確關聯。 相關研究工作以“-ofona”為題發表在國際頂級期刊《》上。
圖形快車
圖 1. Ag(111) 上的 DBTF 分子
圖2.單個分子的長程位移
在沒有熱運動的情況下，可以使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 尖端誘導分子位移。 單分子可以在表面上可控地通信，通常從一個晶格位置跳躍到下一個晶格位置。 Ag(111)上的六羰基分子已經達到了較長的距離，超出了操縱路徑，該分子最初被STM尖端拖到表面上，然后在尖端縮回后繼續通信。 碎片被加速到約 5nm，由鍵解離產生的多余能量以類似于“熱”原子的方式驅動，并在解離物理吸附下進一步轉變。
當分子沿著緊密排列的原子精確排列時（在同一區域的后續圖像中顯示為光滑的白色），這種白色被分配給掃描期間粘附在 STM 尖端的分子。 它們在一個方向上高度連接，但在另一個方向上在空間上局限于一排原子。 為此，每當尖端穿過該行時，它們都會反射仍然位于尖端下方的分子，從而在圖像中產生明亮的外觀。 無論掃描方向如何，這種白色都保持在表面上的相同位置。 該分子在這種狀態下很容易平移，并且不會旋轉回其穩定方向，這表明與一維平移的阻力非常低相比，旋轉存在很大的障礙。
圖3 有吸引力和敵意的目光
圖4 單分子的發送-接收實驗
如圖2所示，可以以大約0.1 ?的極高縱向精度（即STM的縱向碼率）在長距離上誘導分子運動。 作者研究了是否可以使用單個分子來實現發送-接收實驗，其中分子在多探針 STM 的兩個尖端之間轉移（圖 4A），但在同一 Ag(111) 表面上使用兩個單獨的掃描儀。 提高論證量。 首先，將兩個鋒利的尖端靠近在一起（圖4B），并且每個尖端在同一掃描區域上順序成像以識別它們的相對位置。 然后，選擇該大概覽圖像（圖 4C）上的兩個小區域用于每個比特尖端（發送和接收）的獨立成像。 值得注意的是，相距約 60 nm 的尖端同時掃描，互不影響。 指示區域（成像不受其他提示的影響）。
推論與展望
經過30多年的努力，人類終于成功實現了對單個分子的控制。 從單個原子到單個分子是一個里程碑式的進步，意義重大。 相信學校數學教材會再次減少新的內容。 這些發現揭示了單分子雖然在一維上很容易傳播，但如何通過掃描探針顯微鏡進行追蹤。 使用更快的電子控制可以提高STM時間幀速率，從而允許檢測不同表面上各種類型分子的絕對速度，以及分子運動與物理和結構特征的直接關聯。 此類實驗不僅應確定精確的空間位置，還應確定動量和動能，從而為檢測擴散過程中或單分子與其他吸附物碰撞后的能量耗散鋪平道路。 據悉，該實驗允許特定分子實體及其編碼的信息在精確定義的位置之間轉移。