近日，教育部公布了2016年度“中国高等学校十大科技进展”，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授负责完成的科研成果“世界首例真实稳定可控的单分子电子开关器件”入选。借此契机，记者专访了郭雪峰教授以及本文的第一作者贾传成和辛娜。

工作中的郭雪峰

十年坚持，四渡赤水

郭雪峰课题组围绕着单分子光电子器件研究这一难题，开展了长达近十年的潜心钻研和持续攻关。

早在 2007 年，郭雪峰等人就利用碳纳米管电极和两种二芳烯分子构建出了具有从关态到开态单向开关功能的单分子光开关器件。为完善单分子器件的制备方法，课题组在2012 年又发展了利用石墨烯为电极的第二代碳基单分子器件的突破性制备方法。在该普适性石墨烯基单分子器件研究平台的基础上，课题组再进一步设计合成了三种结构改进的二芳烯分子，并构建了单分子光开关器件，但遗憾的是，仍然只实现了从关态到开态单向光开关功能。“当时对我们是当头一棒，感到大家有些失落和遗憾，但我们并没有放弃。”郭雪峰说道。本文第一作者之一贾传成回忆说：“当时虽然大家都有些遗憾和失落，但是郭老师给了我们信心和方向，告诉我们不要放弃，不要气馁，鼓励我们一定要坚持走下去，精益求精。那时面对我们的只有两条路：第一条路是重新寻找其他方向；第二条路则是先把这个单向开关的 ‘小成果’ 记录下来，在做这个方向的同时也尝试做其他的工作。最终我们选择了后者。”随后辛娜加入，辛娜和贾传成一起继续主攻这个方向。“那个时候我们发现外界对这个工作还是比较认同的，我们就加劲继续雕琢这个工作，把所有能做的工作能都尽量做到极致。”

这些前期工作证明，分子和电极之间存在着强的耦合，从而导致分子激发态的淬灭将功能分子锁在了闭环构象。分子和电极之间的接触界面一直是分子电子学领域研究的核心基本科学问题，如何有效调控分子和电极之间的界面耦合则成为器件中实现分子本征功能的关键。基于这些前期积累，在二芳烯功能中心和石墨烯电极之间进一步引入关键性的亚甲基基团，所得实验结果突破性地构建了一类全可逆的光诱导和电场诱导的双模式单分子光电子器件。

皇天不负苦心人，十年光阴终得报，这个成果最终使得在国内诞生了世界首例真实稳定可控的单分子开关器件，它也是国内在分子电子学几十年的研究当中第一次把研究工作发表在 《科学》 杂志上面。《科学》 杂志同期配发了长篇评述性文章，高度评价说：“贾传成等的研究所示范的科学展示了在纳米尺度上对物质的精致控制，是一个凭借自身的努力、可敬的智力追求，具有广泛的长期效应。”

郭雪峰课题组曾“四渡赤水”，经历了多次的反复试验，最终实现了长期追求的研究目标。“我们希望通过这些年的努力，通过这样的工作去证明，我们可以利用功能分子作为核心组件来构建光电子器件，为分子电子器件的实际应用迈出重要的一步。”郭雪峰说道。目前微电子器件尺寸在逐渐缩小，很快就会到达它物理尺寸的极限，那么用分子来构建光电子器件来制备集成电路，就有望解决器件的集成度和功能方面的迫切需求。这项研究成果在未来的集成电路、高密度的信息处理器、分子计算机，还有精准的分子诊断技术等方面都会有巨大的潜在应用价值。

匠人精神，坚守初心

在谈到实现最终成果的原因时，郭雪峰、贾传成和辛娜不约而同地提到了“坚持，发挥匠人精神”。

“在这个领域里面，最初大家有一个梦想，就是想用单分子来构建光电子器件做成集成电路。”郭雪峰坦诚地说刚进入这个领域时就是被这个美好奇妙的蓝图吸引，因为用单个分子构建单分子器件来制备集成电路将会给现在的微电子器件带来一种革命性的创新，他对这个领域非常感兴趣，充满了激情。

博士阶段，郭雪峰在中科院化学所有机固体研究室学习，导师分别是朱道本先生和张德清先生。在那个团队里面，他开始比较全面的深入的接触到分子电子学领域，并且得到了系统性的锻炼和积累。慢慢地他心里有了自己的想法，开始考虑能否用单分子来构建光电子器件。他利用光致变色分子来构建分子器件，用了各种各样的光致变色分子，比如螺吡喃、偶氮苯、二芳烯等等。真正做到单分子器件则是在博士后期间，在美国哥伦比亚大学一个专门做单分子物性研究的纳米中心，他真正进入到了这个领域的顶级水平，也是在那里成功发展了制备稳定的单分子器件的技术。他在化学所的方向是有机合成，而在博士后期间转到了器件物理，所以回国之后能够把这两个背景结合在一起，致力于发展和完善单分子器件制备的关键性技术。虽然屡败屡战，但是愈战愈勇，最后终于实现了目标。

辛娜说：“我们课题组在构建可逆单分子开关方面，尝试了一系列探索，前期的失败，并没有让我们退缩，反而是从失败中找原因，通过分子工程设计，改进分子结构，最终取得了重大突破。”贾传成同样提道：“前期整个准备和研究工作要做得非常充分。因为经过了时间的打磨，也经历了从希望到失望再到平和的心态，因此看到最终结果的时候可以说既有意外之喜，但也在预料之中。”他说，“对于一件很难的事情，大家刚开始都会有畏惧的心理，虽然大家都没有把握，但是先实现了一个 ‘小目标’，就可以给我们带来巨大的信心。比如早期的单向单分子开关器件的实现，就让我们看到了这方面的希望。”

团结合作，因材施教

“我对我的团队是非常满意的，我们有着一批对科研感兴趣，有激情，有信心，肯钻研，同时坚持努力的年轻人。”郭雪峰在谈到自己的学生时满意之情溢于言表。此次研究的第一作者贾传成在他的课题组做了五年的博士，最后毅然决然地留下来，又以联合培养的形式继续做了两年的博士后。辛娜现在仍然瞄准该领域最前沿，致力于突破性的研究。“这两位学生都非常优秀，有想法，有激情，又勤奋，有钻研精神。”郭雪峰坦言，培养学生是一门很大的学问，他至今仍在摸索和学习当中。他对每个人的培养方式是不一样的，并没有固定的模式，因为每个人的情况都不一样。他会尽可能的去了解每个学生的兴趣爱好、优缺点等具体情况，尽他的最大可能去因材施教。因此,每个学生他都会亲自指导，尽可能地激发他们的热情，让他们得到更好的发挥和锻炼。“我们实验室很团结，师兄师姐对师弟师妹们都非常帮助更是负责有佳。同时我们实验室也很开放，大家在科学方面畅所欲言，在实验方面更是直言不讳，开门见山。”

“团队合作很重要，”贾传成说道，“既要有团队内部的合作，也有团队外部的支持。在团队内部，两三个人结伴而行，就可以相互鼓励和支持；在团队外部，也需要跟这个领域内世界级别的顶尖水平交流合作。在这里要非常感谢郭老师给我们搭建的 ‘全明星阵容’，让我们不论在理论上还是实验上都得到了很多的收获和见识。”

谈到未来，郭雪峰说道：“我们在这个领域里坚持做了十几年，摸爬滚打，从初学者开始逐渐积累，现在站到了这个领域的最前沿，很是不容易。”此次研究成果促进了分子电子学的发展，开拓了单分子科学与技术研究的新方向，这是全新的方向，是前瞻性的原创性的方向。郭雪峰对未来充满了期待，希望得到国家和学校及时的大力支持，在这个自己开辟出来的新兴方向继续钻研下去；也希望将来有更多的有热情，有理想的年轻人加入进来，一起继续拓宽和完善这个领域，使之发展成为一个全面的普适性的主流方向，共同打造一个真正属于国内自己的原创性的特色研究领域。

郭雪峰用一句话结束了本次专访：宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。希望奔赴在一线的每一位科研工作者，都可以找到自己钟爱的领域。（文/校报记者 唐一然）

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编辑：山石