随着时间的推移，我们的世界似乎在不断地变小，不仅如此，新的发明创造也在向着更小更精细的方向发展。然而，这些“小玩意儿”在发展的道路上总会遭遇瓶颈，至少在以摩尔定律（Moore's Law）为准规则的计算世界会这样。如果根据英特尔公司(INTEL) 创办人之一Gordon Moore 的建议, 即一个电脑芯片上所能容纳的晶体管数目每隔18~24 个月增加一倍，那么一块硅片上所能承载的存储量，将在10年内达到物理极限。这必然导致了问题的产生：接下来该发展什么样的芯片呢？
在过去的20 年中，人们从被称作分子计算技术或是分子电子技术上看到了希望。在这项技术中，分子扮演着硅半导体的角色。支持者们希望可以通过这项技术建立纳米级人造电子设备。虽然人们看到了这项新技术的巨大潜能，但是它的出现还是激发了怀疑者广泛的质疑。他们提出，直至目前，利用这项技术所实现的成果远远落后于人们对于这项技术的设想以及对于其前景的展望。
自分子电子这一概念诞生以来的20年中，英国化学家Fraser Stoddart一直是这一领域中最具影响力的人物。20世纪80年代，他确认了首批具有开关功能的高模合成分子——一个可以在任何二进制计算中承担计算任务的重要角色。一直以来，Stoddart 教授在分子电子领域有着极其深远的影响力。截至发稿时，在最新ESI 发布的近10 年来被引用次数最多的化学家排行榜中，他以总计11 000条引文，篇均引文40次的实力荣登第3名的宝座。1995 年，他在《化学评论》上发表的名为《互锁与互绕的结构及超结构》的文章被引用了700次之多（见表1）。最近，每两个月更新的“热点论文(Hot Papers)数据库”还特别刊登了近两年由Stoddart 和他的同事发表的7 篇高被引论文。
Stoddart教授出生于苏格兰首府爱丁堡，现年63 岁。他曾就读于爱丁堡大学学习化学，并相继于1964年、1966年、1980年获得学士、博士以及科学博士（Doctor of Science）学位。在位于加拿大安大略湖的女王大学做了一段时间博士后研究员之后，Stoddart 教授于1970 年回到了英国，并以谢菲尔德大学化学讲师的身份开始了其独立研究生涯，直至1978 年。此后的3 年，他一直在位于朗科恩的帝国化学工业实验室（Imperial Chemical Industries’ CorporateLaboratory）工作，之后又重返谢菲尔德。1990 年Stoddart教授转至伯明翰大学，并作为有机化学教授在那里工作，直至接受邀请前往美国。自1997 年开始，Stoddart 教授一直在美国洛杉矶加州大学负责有机化学和纳米体系科学方面的研究，并担任加州纳米体系研究所（CNSI）的主管。
下面是Stoddart教授在其美国洛杉矶加州大学（UCLA）的办公室接受Science Watch采访时的内容。
记者：有报道说您是在进行杀虫剂研究时首次发现分子开关的，这些报道是否属实呢？
Stoddart：事实上，的确如此。1978——1981 年我在帝国化学工业(ICI)实验室工作的时候，他们生产了一种化学品并作为除草剂在世界范围内销售。这种化学试剂实际上由杀草快和百草枯这两种除草剂混合而成，但是对厂家不利的是这两个试剂都有毒性。不仅如此，如果人们有意或无意摄入了这种除草剂将会导致死亡。所以，起初我们的工作就是研究解毒剂，但是研究中我们偶然发现其中一种除草剂——百草枯是矩形分子结构。我们从固态结构观察到其在大环分子——冠醚中的嵌套形式，发现它看起来就像穿过圆环的杆子。让我们想象一下这样的结构，你会发现如果我们令一个分子进入另一个分子，正如杆子穿过圆环一样，然后我们在杆的两端放置大大的塞子，这样就可以形成一个机械互锁结构。然而，尽管有很多提及这种奇异结构的文章，但是几乎没有针对它的深入研究。实际上，我们称这种有着类似算盘式结构的分子为轮烷，它由两部分构成，一部分呈哑铃型，另一部分则呈环形。另一种与此有着密切关联的即是索烃，最简单的索烃由两个机械互锁环组成，我们同样也对这些分子进行了研究。
我们很幸运，因为这两种除草剂丰富的氧化还原化学特点直接决定了它们的性质，事实上，你可以令电子进入这些化合物之后再将它们从中分离出来。首先，这两种化合物都带有两个正电荷，因此它们很容易被还原，但是如果我们可以将这两个电子放在不同的势能位置上，那么得到的化合物将具有截然不同的性质。事实上，我们可以阻止这些分子与冠醚的结合。但直到20世纪80年代中期，我们才掌握了制造机械互锁化合物的全部知识和技能，我们不仅可以集合“位”(bit)和“块”(piece)，即从机械角度我们所提到的杆子和环，同时当我们这么做的时候，也就获得了控制块之间如何移动的方法。
记者：那么您又是如何令这些分子转变为“开关”，并将其运用到分子电子系统中的呢？
Stoddart：我们最初制备的索烃产率约为70%，包含4个识别部位——每个环一对。这两个机械互锁环之间的互绕，证明了我们研究分子开关想法的可行性。对于首批制备的索烃和轮烷，它们存在这样的问题，即虽然它们的组件可以在两种状态下做环绕以及往复的运动，但是我们很难区分这两种状态。这是因为我们使用了几对状态相同的简单体系。那么，我们就要调整这两个机械互锁分子，使每个部件都有两个不同的状态，而非之前所呈现的相同状态。我们已于20世纪90年代早期实现了这一目标。1994年，我们在Nature杂志上发表了一篇文章，描述了轮烷的环在一个状态占据了80%的时间，另一个状态占据了20%的时间。最后我们终于得到了这样一个开关，虽然它并不是很完美。
记者：您是如何看待这些分子的，随着时间的推进，它们将会有怎样的变化？
Stoddart：当我们从谢菲尔德转移到伯明翰时，我就意识到我们仿佛正站在一座金矿的入口处。那是令人兴奋、难以置信的年代，就像一个正在玩玩具的孩子一样高兴，因为我们知道接下来应该做些什么。然而，关于这些分子的前景，我认为它们可能是分子计算的基础。也许我夸大了这种可能性，但是我们的发现确实太令人激动了。当然，大约自1991年以来，我们就感觉到这些两态的索烃和轮烷分子可能成为新型微小开关的基础，但直到1998年我们才制备出了一种立方纳米的索烃开关。因此，很难想象能够用这种分子做出更小的开关。我不是说不能，但是直到今天，我依然想不出如何做到这一点。
我们现在可以制备出近乎完美的开关，并且可以在溶液里演示开关的过程。但是，批评家会说“好吧，虽然你可以在溶液里演示这些分子开关，但是除非你可以把这些分子开关用于表面或界面、双层物质，不然这种技术将无法得到应用。”这就是为什么自从我来到加利福尼亚洛杉矶分校后一直与Jim Heath合作的原因之一（参阅Science Watch,12[1]:3-4,January/February 2001）。我们已经掌握了在水－气界面上两态分子的自组装技术。并且，Jim可以取下两态分子单层，然后将其铺展在两个电极之间。虽然组装过程并非绝对完美，事实上也不可能达到完美，但是它们却能够工作。我们不能达到生产硅基芯片的半导体行业所要求的精确性，但是在Jim向我介绍了可容忍缺陷（defect-tolerant）概念之后，我这颗要求精确的心安静了下来。我们很快有了范围很广的两态索烃和轮烷分子，它们都在固体装置中表现出了良好的开关性能。(www.xing528.com)
记者: 这种可容忍的缺陷又是如何被忽略的呢？
Stoddart：可容忍缺陷概念的关键点是打开门让所有的分子都可以参与进来。如果你在电极上铺展分子，那么就会有不是特别完美精确的东西伴随其中。如果你决定将这些分子从分子单层中去掉，那么最多也就只存在一些空位缺陷。举例来说，如果你将30 个分子放在装置中——一个很小的器皿，你可以把他们看成一群高中生，无论怎样总会有两个或三个不守规矩的孩子。但是，由于你必须保证正常教学活动的进行，因此可以忍受他们在不重要的地方出现的不规矩行为。
记者: 在您的论文里,使用了专业术语“molecular meccano”, 请问这是什么意思?
Stoddart：molecular meccano这一术语拓宽了我们整个工作的研究范围, 从仅仅只涉及用作开关的两态分子到扩展到用它们作为组装体来制造以传动为目的的其他类型器件。举例来讲，恰好到去年底，我们就研究了结合在微型悬臂表面上的开关分子的独特变化。接着，在根据研究目的特别建造的液体电池中，我们向大家展示了依靠溶液里化学物质的氧化还原性质使悬臂弯曲的结果。因此，我们可以把研究对象从分子开关扩展到传动器上，并向大家展示我们是如何从化学试剂中获取机械动力的——把化学能转换成机械能。那么我们如何利用化学能呢？我们在电化学中获取电能，将其再重新转化成机械能，这样我们能够在电化学电池领域取得更多的研究成果。同时，在光驱动研究领域，我们也取得了一些进展。所有这些都为我们打开了一扇通往极小纳米机电系统（NEMs）的大门——可以实现人们规定动作的人造分子机械。
记者: 您可以举一个应用实例吗？
Stoddart：7月19号出版的Proceedingsof the National Academy of Sciences公布了一个消息，那就是我们成功制备出可随意打开与关闭用于捕获和释放分子的纳米阀门（参阅 T.D.Nguyen,et al.,PNAS, 102[29], 10029-43, 2005）。纳米阀门由可移动的元件构成，这种元件其实就是粘贴在直径大约为500nm的多孔微型玻璃片上的轮烷开关分子。多孔玻璃片上的通道虽然长，但是其直径却只有几个纳米，因此，只有小分子才可以进入。由于纳米阀门比活细胞小很多，所以可用于细胞膜间的跨越；同时纳米阀门有望用于靶向性极强药物运输系统，例如利用该系统将药物导入患者的癌细胞中。
记者: 请问，还需要什么才能把这些变成实用技术，并且像硅片一样普遍呢？
Stoddart：过去半个世纪，技术变化速度之快令人惊奇。我可以用我的亲身经历来说明：19 世纪40——50 年代我还在苏格兰低地的农场与马群和马车一起过着没有电的生活；到了2005 年，我们已被各种各样新型实用技术所包围。在过去的25 年间，由强大硬件支持的信息技术的巨大变化，给我们的日常生活带来了深刻的影响。就计算领域而言，根据摩尔定律（Moore's Law），以硅片为基础的技术在今后的大约10 年中将会继续发展。其后，任何人都可以想象一下，未来会怎样。一种可能是，分子电子器件开始进入市场，并形成与硅片共同拥有市场的状况。例如，分子电子器件有可能以镶嵌在塑料底物上的存储芯片的形式出现，而价格不贵。在半导体行业，短期内还会呈现大量资金用于在世界范围内建造生产工厂的局面。目前，对于那些正在分子电子领域从事研究的工作者来说，他们必须认识到还有大量的基础研究需要完成。而大学在培养科学家和工程师方面具有优势，这些新一代科学家和工程师将会为分子电子学领域带来新的变化。
本文译自：Science Watch, 2005, Vol. 16 No.5
翻译：朱海峰 审校：夏文正
原文链接：J.Fraser Stoddart访谈：分子电子开关
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