研究背景
当我们在高中数学中第一次接触物质结构时，原子的知识是非常重要的一部分。 相信你对下面这张图很熟悉。
三十一年前的 1989 年 9 月 28 日分子热运动实验报告，IBM 阿尔马登研究中心的科学家马克教授成为历史上控制和通信单个原子的第一人。 11月11日，他和团队用自制显微镜操纵35个氙原子，拼出了“I、B、M”三个字母，从而开启了纳米科学和纳米技术的新时代。
为了可视化和测试单个分子和原子，我们设计并制造了高温、超高真空扫描隧道显微镜（STM）。 他在实验中发现，利用STM探针移动单个原子是可能的。 IBM的三个字母由35个氙原子组成，旨在展示所达到的原子级精度和可重复性。 杰克曾在他的专着中将这一举动称为莱特兄弟人类历史上的首次飞行。
IBM研究中心科技部总工程师、IBM教授T.CChen评价道：“直到今天，Don的成就仍然是纳米科技史上最重要的突破之一。当时，一切都在发生。”似乎是那么遥远，就像一部悬疑小说。而现在，两六年后，那可能是一个决定性的时刻，而它催生的研究最终将带领我们赶上CMOS和摩尔定理，让我们使用更多它可以用更少的能源处理世界各地的大量数据。”
这里简单介绍一下扫描隧道显微镜（STM）。 当原子级针尖在小于一纳米的高度扫描样品时，电子云在此重叠，并施加电流（2mV~2V），在针尖和样品之间形成隧道。 电子由于该效应而逃逸，并产生隧道电压。 电压硬度与针尖与样品之间的距离呈函数关系。 当探头沿给定高度的材料表面扫描时，由于样品表面原子的不均匀性，探头与材料表面的距离不断变化，从而产生恒定的电压。 变化发生了。 对这些电压变化进行成像可以揭示原子水平上的凹凸和凹凸。 STM使人类首次能够实时观察物质表面单个原子的排列状态以及与表面电子行为相关的物理化学性质。 在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中具有重要意义和广泛应用。 其应用前景被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成果之一。
我们知道分子热运动实验报告，分子是由原子按照一定的键合顺序和空间排列组合而成的整体。 这些键合顺序和空间排列称为分子结构。 问题来了，既然人类可以控制原子的连接，那控制单个分子的通讯的能力又如何呢？ 问题并不简单。
表面上原子和分子的热诱导扩散通常是一个随机过程，由原子表面晶格上不相关的跳跃组成； 这是首次通过场离子显微镜观察到的。 分子在表面上的热运动主要是通过扩散到相邻的晶格位置，但也预计会有更大的位移。 事实上，分子在表面上表现出四个晶格常数的均方位移，随着分子与表面相互作用的减少，该位移减少到七个。 原子尺度的运动遵循随机过程，对分子运动的空间控制是有限的。
但是明天，经过几六年的不断努力探索，人类第一次实现了单个分子的连接，我们上去看看吧。
研究成果
英国格拉茨学院格里尔院士的研究小组使用扫描隧道显微镜将单个分子带入具有高平移迁移率的稳定方向，使它们能够沿着精确定义的轨迹进行通信。 单个 DBTF( ) 分子在银 (111) 晶面上通信距离超过 150 nm，并以 0.1 埃的极高空间精度进行长距离通信。 这些效应的静电性质使得可以选择性地施加敌对力和吸引力来发送或接收单个分子。 高度的控制使得两个单独的探针之间的单个和特定的分子实体能够精确关联。 相关研究工作以“-ofona”为题发表在国际顶级期刊《》上。
图形快车
图 1. Ag(111) 上的 DBTF 分子
图2.单个分子的长程位移
在没有热运动的情况下，可以使用扫描隧道显微镜 (STM) 尖端诱导分子位移。 单分子可以在表面上可控地通信，通常从一个晶格位置跳跃到下一个晶格位置。 Ag(111)上的六羰基分子已经达到了较长的距离，超出了操纵路径，该分子最初被STM尖端拖到表面上，然后在尖端缩回后继续通信。 碎片被加速到约 5nm，由键解离产生的多余能量以类似于“热”原子的方式驱动，并在解离物理吸附下进一步转变。
当分子沿着紧密排列的原子精确排列时（在同一区域的后续图像中显示为光滑的白色），这种白色被分配给扫描期间粘附在 STM 尖端的分子。 它们在一个方向上高度连接，但在另一个方向上在空间上局限于一排原子。 为此，每当尖端穿过该行时，它们都会反射仍然位于尖端下方的分子，从而在图像中产生明亮的外观。 无论扫描方向如何，这种白色都保持在表面上的相同位置。 该分子在这种状态下很容易平移，并且不会旋转回其稳定方向，这表明与一维平移的阻力非常低相比，旋转存在很大的障碍。
图3 有吸引力和敌意的目光
图4 单分子的发送-接收实验
如图2所示，可以以大约0.1 Å的极高纵向精度（即STM的纵向码率）在长距离上诱导分子运动。 作者研究了是否可以使用单个分子来实现发送-接收实验，其中分子在多探针 STM 的两个尖端之间转移（图 4A），但在同一 Ag(111) 表面上使用两个单独的扫描仪。 提高论证量。 首先，将两个锋利的尖端靠近在一起（图4B），并且每个尖端在同一扫描区域上顺序成像以识别它们的相对位置。 然后，选择该大概览图像（图 4C）上的两个小区域用于每个比特尖端（发送和接收）的独立成像。 值得注意的是，相距约 60 nm 的尖端同时扫描，互不影响。 指示区域（成像不受其他提示的影响）。
推论与展望
经过30多年的努力，人类终于成功实现了对单个分子的控制。 从单个原子到单个分子是一个里程碑式的进步，意义重大。 相信学校数学教材会再次减少新的内容。 这些发现揭示了单分子虽然在一维上很容易传播，但如何通过扫描探针显微镜进行追踪。 使用更快的电子控制可以提高STM时间帧速率，从而允许检测不同表面上各种类型分子的绝对速度，以及分子运动与物理和结构特征的直接关联。 此类实验不仅应确定精确的空间位置，还应确定动量和动能，从而为检测扩散过程中或单分子与其他吸附物碰撞后的能量耗散铺平道路。 据悉，该实验允许特定分子实体及其编码的信息在精确定义的位置之间转移。