小到一個(gè)分子！研究人員開(kāi)發(fā)一種微小的壓電電阻器

使用壓阻的電子傳感器在許多設(shè)備中都很常見(jiàn)，包括汽車、醫(yī)療可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)。現(xiàn)在，澳大利亞的研究人員開(kāi)發(fā)了一種微小的壓電電阻器，小到一個(gè)分子，可以實(shí)現(xiàn)一系列全新的應(yīng)用。

該研究的作者之一、澳大利亞科廷大學(xué)的分子電子學(xué)研究員Nadim Darwish說(shuō)，除了壓阻器的小尺寸外，它的分子基礎(chǔ)也是新的?！艾F(xiàn)有壓電電阻器的基底由固態(tài)、硅樹(shù)脂或其他類型的晶體制成……但我們使用的是有機(jī)分子，主要由碳制成……（這意味著它們）可以與其他分子和生物分子（如蛋白質(zhì)和酶）偶聯(lián)。”

例如，這將使傳感器在檢測(cè)疾病的生物傳感器中發(fā)揮作用。在化學(xué)傳感器、人機(jī)接口和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備方面，或可還包含其他可能的應(yīng)用。研究人員的論文（https://www.nature.com/articles/s41467-023-41674-z）于10月3日發(fā)表在《自然通訊》上。

該傳感器基于一種名為牛價(jià)烯的碳?xì)浠衔锓肿?，該分子具?0個(gè)碳原子和10個(gè)氫原子。牛價(jià)烯看起來(lái)是一個(gè)穩(wěn)定的分子，但表現(xiàn)出一些特殊的行為——它的碳原子在內(nèi)部不斷地相互改變位置。該研究的合著者、紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的有機(jī)合成專家Thomas Fallon將其比作一根同時(shí)自發(fā)改變形狀、長(zhǎng)度和特性的電線。

當(dāng)機(jī)械應(yīng)變時(shí)，牛價(jià)烯分子的形狀會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌男问?，稱為異構(gòu)體；這種情況發(fā)生得非?？欤耶悩?gòu)體具有不同的電阻，從而改變了電流。悉尼科技大學(xué)物理化學(xué)研究員、合著者Jeffrey Reimers說(shuō)：“你不希望你的身體發(fā)生這樣的變化，也不希望汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的部件每秒重新排列3000次。我們發(fā)現(xiàn)了一些通常會(huì)成為災(zāi)難的東西的用途?！?/p>

Bullvalene形狀變化的速度是傳感器工作的基本原理。然而，如果不能在毫秒的時(shí)間尺度上對(duì)其電阻進(jìn)行合理的測(cè)量，那么將毫無(wú)意義。Fallon說(shuō)，這就是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的地方，看看研究人員是否能實(shí)時(shí)檢測(cè)到分子形狀的變化。“如果我們能做到這一點(diǎn)，那么我們將來(lái)可以做更多的事情?！?/p>

研究人員使用掃描隧道顯微鏡（STM）技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。STM顯微鏡是一種非常專業(yè)的設(shè)備，可以使用電壓脈沖獲得原子級(jí)的分辨率。STM不使用光束或電子束，而是使用一種稱為電子隧道的量子力學(xué)過(guò)程。一個(gè)超鋒利的導(dǎo)電尖端（在這種情況下，由金制成）位于距離樣本不到1納米的位置，掃描表面。向STM尖端施加小電壓可以使電子穿過(guò)間隙。隧道電流的變化可以分解為原子表面的圖像。

Darwish說(shuō)：“你可以把它看作一種替代的感知方式?！蓖ㄟ^(guò)檢測(cè)這種分子傳感器中的電阻如何變化，當(dāng)它與蛋白質(zhì)或酶等生物分子偶聯(lián)時(shí)，就有可能檢測(cè)這些蛋白質(zhì)或酶的變化。

研究人員強(qiáng)調(diào)，在這一點(diǎn)上來(lái)看，目前還處于基礎(chǔ)研究階段，而不是一種可以進(jìn)入市場(chǎng)的功能性設(shè)備。他們的工作包括多個(gè)專業(yè)，Reimers總結(jié)道：“Thomas[Fallon]制造了分子；Nadim[Darwish]把它們放在STM上并進(jìn)行測(cè)量；我模擬了所有可能涉及的化學(xué)結(jié)構(gòu)、速率和過(guò)程；Daniel[Kosov]做了量子物理學(xué)，根據(jù)我產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)計(jì)算出電導(dǎo)率?！?/p>

要使該設(shè)備實(shí)用，需要去掉STM，并將該技術(shù)轉(zhuǎn)移到一個(gè)廉價(jià)的平臺(tái)上，該平臺(tái)可以在病理學(xué)實(shí)驗(yàn)室或醫(yī)生工作室使用，也可以在航天器上實(shí)時(shí)分析其身體上的應(yīng)力，等等。研究人員已經(jīng)在做這方面的工作了。

Darwish說(shuō)：“現(xiàn)在還有其他技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中，比如電極間隔幾納米的納米陣列，可以相結(jié)合?！?他覺(jué)得他們離創(chuàng)造一個(gè)功能性設(shè)備不遠(yuǎn)了。自從他們目前的論文發(fā)表以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)在開(kāi)發(fā)一種可以放在小芯片上的牛價(jià)烯薄膜方面取得了進(jìn)展。他們稱之為單分子水平的下一個(gè)合乎邏輯的步驟。

審核編輯：彭菁