研究人员开发变形分子产生微小的压阻打造新型传感器应用

NADIM DARWISH/CURTIN UNIVERSITY

使用压阻的电子传感器在许多设备中都很常见，包括汽车、医疗可穿戴设备和智能手机。现在，澳大利亚的研究人员开发了一种微小的压电电阻器，小到一个分子，可以实现一系列全新的应用。

该研究的作者之一、澳大利亚科廷大学的分子电子学研究员Nadim Darwish说，除了压阻器的小尺寸外，它的分子基础也是新的。“现有压电电阻器的基底由固态、硅树脂或其他类型的晶体制成……但我们使用的是有机分子，主要由碳制成……（这意味着它们）可以与其他分子和生物分子（如蛋白质和酶）偶联。”

例如，这将使传感器在检测疾病的生物传感器中发挥作用。在化学传感器、人机接口和健康监测设备方面，或可还包含其他可能的应用。研究人员的论文（https://www.nature.com/articles/s41467-023-41674-z）于10月3日发表在《自然通讯》上。

该传感器基于一种名为牛价烯的碳氢化合物分子，该分子具有10个碳原子和10个氢原子。牛价烯看起来是一个稳定的分子，但表现出一些特殊的行为——它的碳原子在内部不断地相互改变位置。该研究的合著者、纽卡斯尔大学的有机合成专家Thomas Fallon将其比作一根同时自发改变形状、长度和特性的电线。

当机械应变时，牛价烯分子的形状会转变为不同的形式，称为异构体；这种情况发生得非常快，而且异构体具有不同的电阻，从而改变了电流。悉尼科技大学物理化学研究员、合著者Jeffrey Reimers说：“你不希望你的身体发生这样的变化，也不希望汽车发动机的部件每秒重新排列3000次。我们发现了一些通常会成为灾难的东西的用途。”

Bullvalene形状变化的速度是传感器工作的基本原理。然而，如果不能在毫秒的时间尺度上对其电阻进行合理的测量，那么将毫无意义。Fallon说，这就是实验开始的地方，看看研究人员是否能实时检测到分子形状的变化。“如果我们能做到这一点，那么我们将来可以做更多的事情。”

研究人员使用扫描隧道显微镜（STM）技术进行测量。STM显微镜是一种非常专业的设备，可以使用电压脉冲获得原子级的分辨率。STM不使用光束或电子束，而是使用一种称为电子隧道的量子力学过程。一个超锋利的导电尖端（在这种情况下，由金制成）位于距离样本不到1纳米的位置，扫描表面。向STM尖端施加小电压可以使电子穿过间隙。隧道电流的变化可以分解为原子表面的图像。

Darwish说：“你可以把它看作一种替代的感知方式。”通过检测这种分子传感器中的电阻如何变化，当它与蛋白质或酶等生物分子偶联时，就有可能检测这些蛋白质或酶的变化。

研究人员强调，在这一点上来看，目前还处于基础研究阶段，而不是一种可以进入市场的功能性设备。他们的工作包括多个专业，Reimers总结道：“Thomas[Fallon]制造了分子；Nadim[Darwish]把它们放在STM上并进行测量；我模拟了所有可能涉及的化学结构、速率和过程；Daniel[Kosov]做了量子物理学，根据我产生的结构计算出电导率。”

要使该设备实用，需要去掉STM，并将该技术转移到一个廉价的平台上，该平台可以在病理学实验室或医生工作室使用，也可以在航天器上实时分析其身体上的应力，等等。研究人员已经在做这方面的工作了。

Darwish说：“现在还有其他技术正在开发中，比如电极间隔几纳米的纳米阵列，可以相结合。” 他觉得他们离创造一个功能性设备不远了。自从他们目前的论文发表以来，该团队在开发一种可以放在小芯片上的牛价烯薄膜方面取得了进展。他们称之为单分子水平的下一个合乎逻辑的步骤。