分子器件：化学发展及未来展望

本文刊载于《科学观察》2006年第1卷第6期P28-P33。

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分子器件将使人们的生活空间扩展到微观的层次，将改变社会的方方面面， 尤其会引起生物、医学、材料、电子等领域的根本性变化。

分子器件的概念涉及两方面的内涵：基于分子材料的器件和基于分子尺度的器件。基于分子材料的器件涉及到各种薄膜器件、单晶器件、自组装器件等。基于分子尺度的器件是目前国际科技界竞争最为激烈的领域之一。分子器件的发展有两种趋势：一是将无机材料合成为有机材料，增强分子的柔软性；二是注重单分子的功能，力争实现超高性能器件。

目前，可以采用扫描隧道显微术实现单原子的操纵。由于探针容易破坏原子附近的其他构造,因此需要改进单原子操纵技术，使之更灵敏、选择性更好。此外，分子内部和分子与基底之间的快速能量转移远快于用激光和扫描隧道显微术来断裂一个键所需要的时间，因此，如何在一般场合中实现使能量在所加工的键上保留足够长的时间而不转移是成功地加工分子的关键。

在采用单个功能分子来构筑电子器件方面，许多问题仍然需要进行深入研究，譬如，如何改进电子器件结构，抑制环境电磁参量，组装设计新型结构，解决分子器件的集成问题等。

分子马达，其概念来源于生物学，是对广泛存在于细胞内部、能够把化学能直接转换为机械能的一大类酶蛋白大分子的总称。目前，对于分子马达运转过程中所涉及到的诸多化学反应，例如ATP的水解、ATP的结合、ADP和无机磷酸盐的脱离以及蛋白分子马达的构型变化等，还需要深入研究并合成和发掘新型的分子马达。目前，科学家们正在利用先进的光钳和光学探测器来探索分子马达更多的秘密。(www.xing528.com)

分子器件使将使人们的生活进入到微观的层次，将会改变社会的方方面面，尤其会引起生物、医学、材料、电子等领域的根本性变化。虽然分子器件有着可预见性的应用，但是对它的研究仍然充满了挑战，仍然需要多学科不同领域的科学家的广泛参与和高度合作。

1994—2003年，分子器件领域的SCI论文共计4 524篇。自1994以来，该领域SCI论文数量持续增长，呈现出蓬勃向上的发展势头（见图1）。2003 年的论文数量是1994 年的4倍多，此10年的论文共涉及68个国家和地区，但主要的研究工作集中在TOP20国（见表7）。

美国在分子器件领域的霸主地位无可撼动。无论是1994—2003 年的10 年论文总数，还是1999—2003年的5年论文总数，其论文数所占份额遥遥领先（后者为32.7%）。日本在这一领域表现出迅速跟进的应变能力。在第一个5年期中，日本的论文数和被引频次分列第4、6名，而在第二个5 年期分别上升至第2、3名（见表7、表8）。

中国在分子器件领域的研究也有可圈点之处。在论文数量上由前5年期的第9名上升到后5年期的第6名，被引频次的名次也由第17名跃至第12名（见表7、表8）。总的来说，中国在这一领域的研究呈上升趋势，尤其是2000 年之后，进步很快；但与科技五强相比，无论在论文数量上还是在被引频次上都有很大差距。

在论文影响力的国际比较中，中国分子器件领域的论文在199—2003年的10年间入围TOP10%引文基准的仅有2篇，占论文总数的1.1%（见表1）；在篇均引文水平的国际比较中，这种弱势现状依然存在。尽管数据表明，2002年相对于1994年，差距有所缩小，但总体上依然表现为低水平态势，达到世界平均引文影响力尚需时日（见表2）。

分子器件领域SCI论文数量及被引频次的世界TOP10科研院所分布非常不均衡。在论文数量上，近5 年的冠军头衔被法国国家科研中心夺走，美国和日本则瓜分了剩余席位，分别有5所和4所科研机构入选TOP10。在引用频次的比较中，这种现象表现得更为极端，除法国国家科研中心外，其余机构均属美国（见表3、表4）。中国没有一家机构入围TOP10，且差距较大（见表5、表6）。