近日，杰夫教授带领上海大学理学院研究生杨立坤，与来自悉尼科技大学、科廷大学、纽卡斯尔大学、詹姆斯库克大学以及巴塞罗那大学的合作者在顶级学术期刊Nature Communications上发表学术成果。该成果首次利用分子的异构性质研发出一种单分子压敏电阻器，可用于检测化学物质、蛋白质和酶等生物大分子，为亚细胞尺度的测量、新一代集成电子设备、化学和生物传感器、人机界面和健康监测设备等方面开辟全新领域。该论文第一作者为杰夫教授，上海大学为第一单位及通讯单位。
杰夫教授及合作者研发的单分子压阻器由单个瞬烯（bullvalene）分子构成，利用该分子的构型和构象异构化进行操作，并能以850 Hz的频率进行切换。这是首次利用异构体间的相互转化来开发压阻器。团队采用扫描隧道显微镜断结（STMBJ）技术确定该分子的压阻特性，并结合电流-时间实验，实时跟踪单分子反应。同时，该团队开发了一种动力学蒙特卡罗方法（KMC）来模拟实验时间尺度上的异构化，并使用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）计算进行参数化，来理解一系列复杂反应，并了解单个分子如何实时发生反应和转化。结果表明，压阻受构型和构象异构化的控制，与实验时间尺度相比，异构化发生的速度或快（平衡）或慢（非平衡）。他们观察到两种不同类型的 STMBJ 轨迹，一种是传统实验中典型的分子内异构化，这种异构化发生在稳定的尖头形金属接触结上，另一种异构化则是由分子异构化引起的结界面重组所致。本研究显示，在毫秒时间尺度范围内，可利用电学手段检测正在发生反应的分子构型变化，建立了使用电导率检测分子结构这一种全新的化学传感概念。能够理解了分子构型与导电性之间的关系，就能确定分子与附着金属导体之间连接的基本特性。这种新的实验技术对于未来分子电子学器件设备的发展至关重要。本工作得到了上海大学五五战略——量子科技和高性能计算平台的大力支持。
杰夫教授所在的上海大学量子与分子结构国际中心是由理学院任伟教授与杰夫教授于2014年共同创立，中心在量子物理、量子化学、计算材料学等基础研究领域取得了一系列重要成果，至2023年在Science、Nature 及其子刊、PNAS、PRL 等期刊发表论文300篇，为提升上海大学的学术影响力和国际化发展战略贡献力量。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41674-z
