40年前，一位名為阿利耶?艾維拉姆（Arieh Aviram）的紐約大學研究生采用了一個大膽的建議為他的博士學位論文開題：“受大自然的啟發(fā)，（自然界）既然利用分子實現(xiàn)了許多物理現(xiàn)象，那么將電子元件縮小到分子大小就是有可能的?！卑S拉姆的提議是革命性的：用單個有機分子取代硅晶體管和二極管，這是對摩爾定律不斷小型化趨勢的超越。

在一篇與他的導師馬克?拉特納（Mark Ratner）合著的論文中，艾維拉姆甚至描述了這一革命性理論的出發(fā)點——將交流電轉換為直流電的“分子整流器”。

艾維拉姆和拉特納的大膽想法后來歸于沉寂。這也難怪：艾維拉姆還是個學生，拉特納也才進入學術生涯短短幾年時間。但在20世紀80年代后期，他們的論文又重新浮出水面，被一小群堅定的研究人員所接納。迄今為止，這篇論文已經(jīng)被引用了三千多次，并被認為是當下分子電子學領域的基石。眼下，該領域似乎比以往任何時候都更為接近實現(xiàn)艾維拉姆40年前所提出的設想。

大批的分子電子學技術都進入了商用展示階段，而近期備受矚目的突破包括單分子發(fā)光二極管以及在單片集成電路中與硅耦合的碳納米晶體管。還有一些不太耀眼但在技術上更相關的成果，例如，在DNA線路中測量電傳輸，這是由耶路撒冷希伯來大學的丹尼?普拉斯（Danny Porath）及其同事們所實現(xiàn)的。這種由DNA制成的線路可實現(xiàn)自組裝，可作為銅線連接的替代品。另外，哥倫比亞大學由拉莎?文卡塔拉曼（Latha Venkataraman）領導的研究小組對單分子二極管在整流比超過200倍的情況下進行了測量——這是在器件縮小后保持高信號增益的關鍵一步。

而新加坡國立大學的克里斯蒂安?耐荷斯（Christian Nijhuis）及其同事們已經(jīng)能夠測量出納米級的分子中的個別官能團（包含少量原子）被取代所發(fā)生的整流變化。這正是艾維拉姆和拉特納夢寐以求的控制類型。與此同時，芯片設計人員在緊隨摩爾定律步伐時遇到了日益艱難的障礙。因此，分子電子學近期的成功就顯得格外及時。經(jīng)過幾十年的努力，分子電子學最終能否取代硅呢？這是一個誘人的可能性。

不過，研究人員們曾經(jīng)認為他們即將實現(xiàn)這一突破了。事實上，這種情況發(fā)生過3次，分別在20世紀60年代早期（在艾維拉姆和拉特納的論文問世之前）、20世紀80年代中期以及21世紀初。每一次令人興奮的興起之后都是一段令人失望的衰落，其間該領域不得不在失敗的結果面前收回承諾；而且在某個案例中，還出現(xiàn)了令人震驚的欺詐行為。可以肯定的是，跟風研究并不罕見：許多學科都會被一個大的想法迷住，但后來便對它退避三舍。但是，在有關研究和進步的本質(zhì)方面，以及樂觀和自大的人性方面，分子電子學的故事有些特別。

我們兩位作者在看待這段豐富多彩的歷史時各有各的角度：我們當中，一個人（Kelly）是一名物理學家，已經(jīng)對分子電子學有所研究；而另一個人（Mody）是一名歷史學家，從文化現(xiàn)象的角度來研究該領域。我們二人在這篇文章以及其他項目上的合作告訴我們，對于分子電子學，人們應該對其已取得的成績表示慶祝，但同時，也應對它報以合理的懷疑態(tài)度。

自20世紀50年代末以來，電腦和其他設備的電路都是通過在半導體晶體（通常是硅）中蝕刻復雜圖案而制成的，精密的工藝涉及許多步驟。在早期，一些人考慮，小型化的更好方法是否會是“培育”可充當電子電路或元件的單分子。此類分子可能比硅集成電路更快、更小，而且也可能更容易制造。麻省理工學院的亞瑟?R?馮?希佩爾（Arthur R. von Hippel）及其所帶領的小組是第一批探索這個概念的研究人員。1959年，美國空軍開始資助德州儀器、西屋公司以及其他一些公司通過利用摻雜無機晶體來開發(fā)固態(tài)“分子”電路。雖然這些晶體在本質(zhì)上并不是分子，但據(jù)稱它們是按分子級設計的，而不是像傳統(tǒng)的集成電路那樣在宏觀尺度下蝕刻而成。特別是西屋公司的研究人員，他們曾承諾將很快培育出具有復雜電路性能的鍺晶體，而組件之間無需容易出現(xiàn)故障的連接（在硅芯片中進行組件之間的連接在當時而言是一項很大的技術挑戰(zhàn)）。但該公司完全無法交付這樣的分子電路，反而是硅集成電路的持續(xù)成功使分子電子學的第一波浪潮在20世紀60年代中期就徹底消退了。

10年后，艾維拉姆和拉特納基于有機分子而不是無機晶體，開啟了分子電子學的新時代。用一類被稱為有機電荷轉移鹽的有機導體所制成的電路似乎比任何無機晶體或硅器件都更適合更大范圍的小型化。艾維拉姆和拉特納設想，他們的分子會像半導體二極管一樣工作，其中分子內(nèi)的一部分將是一個電子供體（類似于一個半導體二極管的n摻雜區(qū)），另一個部分是電子受體（類似于二極管的p摻雜區(qū)）。

像二極管一樣，當你在分子上施加電壓時，這兩個區(qū)的能帶將會彎曲，使得電子從一個區(qū)自由地移動到另一個區(qū)；反之，方向相反的電壓將阻止電子流動。更重要的是，這樣的分子二極管可能通過合成有機化學的可靠工具進行量產(chǎn)。為了概念驗證，艾維拉姆和拉特納設計了一種分子整流器——當交流電流從這一分子的一端流入時，直流電流會從分子的另一端流出。雖然《時代》雜志簡要地提到了他們的建議，但科學界表現(xiàn)出的興趣并不大——直到20世紀70年代末，他們的想法才被美國海軍研究實驗室的化學家福利斯特?卡特（Forrest Carter）所采納。

卡特蓄著大胡子，聲音低沉，充滿磁性，對跑車和交誼舞充滿激情。具有號召力的他，召集了高分子化學家、設備物理學家、電氣工程師、生物技術研究人員、未來學家和國防政策制定者等各色人等。他曾宣傳承諾分子電子學在計算機領域，特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡方面的革命性潛力，幾乎可以實現(xiàn)像人類大腦那樣靈巧的識別模式。圍繞卡特的宏大愿景所形成的圈子并沒有獲得太多的聯(lián)邦資助，但他的追隨者們卻得以彼此交換了更多的意見。與此同時，日本、蘇聯(lián)和英國提出了資金雄厚但并不那么雄心勃勃的有關分子電子學的國家方案。盡管有卡特過于樂觀的承諾，但最終竟沒有一人能夠成功合成出哪怕是一個單分子二極管或晶體管，更不用說用幾十個（當然也沒有幾千個）單分子二極管或晶體管連接在一起形成一個復雜的電路了。

即使卡特對分子計算機的詳細描述激發(fā)了一些研究人員的靈感，他們還是和其他想要看到有關分子電子學愿景可行性的切實證據(jù)的人漸行漸遠。正如1983年的《化學與工程新聞》中的一篇報道所說的那樣：“所謂的分子計算機的炒作似乎是不可避免的。有人說，它們能夠做到的那些神奇事情……可以看成是從科幻小說中摘出來的?！卑凑沼锢韺W家理查德A?L?瓊斯（Richard A.L. Jones）的話說，當1987年卡特于57歲去世時，美國分子電子學的研究圈子已經(jīng)“聲名狼藉”了。與此同時，艾維拉姆一直在悄悄地繼續(xù)他的研究，并在工程基金會的支持下開始組織有關分子電子學的一系列會議。雖然艾維拉姆本人避開了圍繞卡特的炒作，但他所推行的會議催化了分子電子學的下一次熱潮。

耶魯大學微制造領域的專家馬克?里德（Mark Reed）在1991年參加了一次這樣的會議，會議當年是在維爾京群島（Virgin Islands）舉行的。在很大程度上，他是因為有潛水的機會才去的，但他卻遇到了一個名叫詹姆斯?圖爾（James Tour）的合成化學家（圖爾當時在南卡羅來納大學任教，如今在萊斯大學就職）。圖爾發(fā)明了合成有機分子的方法，該有機分子至少在理論上可以作為“分子開關器件”；但他還沒有想出如何把他的分子連接到電路中，以測試它們是否確實可以進行開關。里德提出了一個解決方案：他可以利用微加工技術制造出由微小距離分隔的電極，在這些電極上就可以放置圖爾的分子。只需一個分子彌合差距，即可測量任何通過該電路的電流。

里德和圖爾的研究計劃落在了簡?亞歷山大（Jane “Xan” Alexander）的辦公桌上，她是美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的審批官（后來成了副主任）。這項研究很快就得到了該機構的資助，之后，在1998年，DARPA通過其分子電子項目擴大了對這項研究的資助。最終，DARPA對里德和圖爾及他們的合作者，以及惠普、IBM、西北大學、賓夕法尼亞州立大學和其他項目中類似研究小組的資助達到了約每年1500萬美元。這個領域再一次充滿了對能夠具備復雜電行為的單分子器件的熱切期望。而在描述單分子“組件”的電子屬性方面也確實有所進展。里德和圖爾甚至樂觀地與幾個同事一起建立了一家創(chuàng)業(yè)公司——分子電子股份有限公司（Molecular Electronics Corp.）。2000年，他們?yōu)椤胺肿佑嬎銠C”申請了專利，該研究提供了一種突破傳統(tǒng)硅“因光刻技術造成的……反饋遞減”的方法。

但和以前一樣，實際成果并沒有承諾的那么好。2003年，圖爾在賓夕法尼亞州立大學的合作者之一保羅?韋斯（Paul Weiss）告訴美國《科學》雜志說，里德和圖爾在分子電性質(zhì)方面的一些先前的結果，如負微分電阻，并不是像1999年的一篇文章中所暗示的那樣真實。另一項重要的合作——惠普的R?斯坦利?威廉姆斯（R. Stanley Williams）及均供職于洛杉磯加州大學的詹姆斯?希斯（James Heath）和弗雷澤?斯托達特（FraserStoddart）的合作——也受到了批評，他們原來宣稱發(fā)現(xiàn)了由一層輪烷分子制成的器件的開關行為。這些問題都破壞了這個領域的信譽，以致于《科學》雜志的新聞報道質(zhì)疑該領域是否正在經(jīng)歷一場“中年危機”。

然而，與貝爾實驗室的簡?亨德里克?斯考恩（Jan Hendrik Sch?n）明目張膽的欺詐行為相比，這些失誤都是微不足道的。2001年，斯考恩突然因其在分子電子學領域的一系列高調(diào)發(fā)現(xiàn)脫穎而出，包括這個領域的殿堂級發(fā)現(xiàn)：單分子晶體管。僅僅一年后，這種晶體管（以及幾乎所有斯考恩聲稱已經(jīng)實現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)）都被證明完全是虛假的。斯考恩的欺詐行為對于許多該領域中的人士來說是災難性的。那些曾盛贊過這名物理學家研究結果的杰出科學家們都被認為是耳根子軟或不慎重——這對于他們的聲譽來說是毀滅性的。隨著投資者的撤資，像分子電子公司這樣的創(chuàng)業(yè)公司都被迫倒閉了。而該領域的領導者們要么收回了他們的評論，要么完全放棄了分子電子學，將自己的專業(yè)知識轉向未受污染的相關領域，例如設計輸送藥物的分子。

當然，斯考恩并不是唯一學術造假的人，所以，促成這種欺詐行為的成因就值得人們進行研究了。事后看，一個明顯的問題是，該領域并沒有把結果的可重復性看得很重。很多團隊都是對他人無法獲得的獨特分子進行研究的，因此他人無法對其進行學習。其結果是，斯考恩引人注目的研究結果在很長時間都無人質(zhì)疑。而對于那些曾嘗試追逐他的虛假發(fā)現(xiàn)的研究者們，唯一的結果就是浪費了他們的寶貴時間。

這次的斯考恩事件也反映出，很多人都忽視了一句古老的格言：“不要欺騙你自己?！币苍S是因為巨額的商業(yè)資助，或者是因為該領域在DARPA資助期間的發(fā)展非常迅速，研究人員沒有太多時間去細想或駁斥證據(jù)。太多的文章呈現(xiàn)了結果最好的一面，而忽略了不支持作者假設的觀察。例如，早期一些有關納米器件的報告描述了80％的驚人設備產(chǎn)率。但這一數(shù)字竟然是基于已通過初始測量的納米器件數(shù)量得到的，而不是所制造的納米器件總數(shù)。真正的產(chǎn)率差不多只有1％到2％。

甚至在斯考恩的欺詐行為曝光前，很多研究人員就已經(jīng)以較為謹慎的態(tài)度進行研究，并表示愿意重新審視并修正自己的結果了。斯考恩走下圣壇，鞭策著這些人開始改變自己領域的文化。例如，研究人員終于開始進行控制實驗，將活性分子和絕緣分子均插入他們設備的無機納米器件中；這樣，他們可以將納米器件的特性與活性分子的特性分離開來。

起初，這種特別的改變是以非正式的方式出現(xiàn)的。隨著國家納米技術計劃（NNI）在美國的設立（以及其他國家類似計劃的設立），真正的改革才獲得了更多實質(zhì)性的進展。NNI設立于斯考恩丑聞發(fā)生時期，是一個耗資數(shù)十億美元的多部門項目。它的設立是為了促進納米級的研究和開發(fā)。該項目的成員機構至今已提供了兩百多億的資金。對于那些分子電子學的研究者們而言，該項目不僅在其他私人和政府資源枯竭時為他們提供資金支持，還使他們有機會接觸昂貴、專業(yè)的設備，并結交來自多種學科的新合作者。

NNI給分子電子學的另一個禮物是它提升了對該研究的監(jiān)督，遏制了該領域亟待整治的過熱和過度承諾的風氣。擁有自己實驗室的NNI成員機構——包括美國國防部、美國能源部、美國國家衛(wèi)生研究院和美國國家標準與技術研究院（NIST）——現(xiàn)在通過國家科學基金會與獲得NNI支持的學術研究者們一起，共同協(xié)調(diào)他們的結果。

特別是海軍研究實驗室和NIST，他們十多年來嚴格重復分子電子學研究人員的研究結果，若出現(xiàn)任何差異就會發(fā)出通知。即使在斯考恩事件發(fā)酵時，詹姆斯?庫什梅里克（James Kushmerick）、羅杰?馮?澤（Roger van Zee，現(xiàn)在這二人都供職于NIST）和他們的同事也已開始在文章中闡述并量化測量技術和不同的分子系統(tǒng)之間的差異了。這項工作帶來的一個重要經(jīng)驗就是，人們認識到實驗結果必須要描述活性分子的合成，測量活性分子周圍無機納米器件的結構，并觀察分子與結構之間的相互作用。

在這些改革之后，研究人員獲得了一系列的科學和工程上的成功。與過去的宏偉承諾相比，這些結果或許沒有多大標志性，或低于期望，但這些成果可以被看成是分子電子學的第4 次低調(diào)的熱潮。

NNI跨學科研究的成效清楚地表現(xiàn)在了對石墨稀材質(zhì)設備的快速設計與發(fā)展中。此項技術介于化學、設備物理學、電氣工程和表面科學之間。十多年前，石墨烯還不存在；但在首次被分離出來后不到6年，它就成為了諾貝爾物理學獎的基礎。在過去，分子電子學意味著由鍺晶薄帶、電荷轉移鹽、導電聚合物或碳納米管所制成的設備，而今天，最有前途的材料似乎是石墨烯。

或許，最近的研究浪潮中最顯著的結果就是潛在的新型商業(yè)化設備，例如憶阻器交叉內(nèi)存，這一器件是受到分子電子設備啟發(fā)研制出來的。它最先由惠普公司的威廉姆斯的團隊開發(fā)，海力士半導體公司和Knowm公司緊隨其后。該憶阻器通過產(chǎn)生或消除二氧化鈦等化合物間的纖維連接來管理“內(nèi)存”。（上述3家公司似乎均被英特爾和美光甩在了身后。這兩家公司最近發(fā)布了類似的非憶阻器的3DXPOINT交叉內(nèi)存。）這些傳統(tǒng)材料被用于上述應用，應該直接得益于它們曾被用作為“分子”器件的電觸點。雖然這些材料從未真正地實現(xiàn)那些所謂的分子電子元件。

在其他領域，對“分子晶體管”化學性質(zhì)的更好認識已被轉化為在有機發(fā)光二極管顯示器中的創(chuàng)新。試圖制造“分子電路”無機部件的種種努力，已為傳統(tǒng)的硅微電子帶來了新的架構。對分子電路的有機和無機部分相結合的研究已經(jīng)刺激了“神經(jīng)納米”的研究和人機界面的進步。這些研究人員對納米技術的參與，使得他們接觸到了生命科學領域的研究人員，一些研究分子電子學的人已參與到了奧巴馬政府的最新“腦計劃”項目中，該項目旨在徹底顛覆人類的大腦科學。

但是，分子計算機的宏大愿景怎么辦？我們認為，與圖爾及其同事在四分之一個世紀前設想這種可能性時相比，該領域依然沒有朝“從燒杯中倒出奔騰芯片”這個目標更進一步。而要實現(xiàn)這一遠大目標的成本是高昂的：半個世紀的興衰交替，為了吸引資金和注意力而過早地公布不成熟的突破，而這些成果和承諾卻無法兌現(xiàn)，結果阻礙了這個領域的發(fā)展。

對分子電子能趕上硅的快速發(fā)展的希望已多次帶來了失望。自艾維拉姆和拉特納的論文發(fā)表至今40年以來，處理器已經(jīng)從每平方毫米只能容納250個晶體管發(fā)展到了可集成大約1000萬個。

硅集成電路現(xiàn)在可以達到僅有幾十個原子長、一個原子厚的大小。雖然晶體管的側面仍為一百多納米，但分子元件要小于硅元件的夢想目前還是達不到的。不過硅和有機分子元件尺寸的縮小實際上可能讓兩者的結合更容易。

從有利的一面來說，分子電子學的歷史表明，即使是追求不可能的夢想也可以促成重大的發(fā)現(xiàn)。而當白日夢失控時，這個領域已經(jīng)表明，有意的改革能夠使研究朝著一個更可持續(xù)的道路轉變。自斯考恩事件發(fā)生后，有組織的政府項目不僅資助、開展并協(xié)調(diào)研究，還監(jiān)督研究結果的質(zhì)量，從而使分子電子學更加穩(wěn)定地發(fā)展，涉及的材料、學科和研究課題更廣，而對于分子計算機的高談闊論則少多了。諷刺的是，今天緩慢但穩(wěn)定的做法可能最終會使傳說離現(xiàn)實更進一步。

原文標題：分子電子學的盛與衰

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責任編輯：haq