分子计算机——电子器件微型化
&nbps;&nbps;&nbps;&nbps;300多年前，德国大数学家、哲学家莱布尼兹就曾经感慨道：让一些杰出人才像奴隶般地把时间浪费在繁复的计算上是不值得的。于是，他开始研究计算用的机器，由于科学整体水平的限制，早期的计算机是机械齿轮式的，通过手摇作一些简单的计算，运算速度很慢。
电子技术突飞猛进的发展给计算机的进步带来了新的契机。1946年，世界上第一台电子数字计算机“ENIAC”（爱尼卡）在美国宾夕法尼亚大学问世。其 总重量达30多吨，占地150多平方米，耗电140千瓦。它由18000个电子管组成，每秒运算5000次，存储量只有20个十位（十进制），而且经常需 要更换电子管。这个50年前被视为“一代天骄”的庞然大物，其功能还不如今天一张扑克牌大小的微型计算机。
50年的时间，计算机的变化为什么如此之快呢？材料科学在其中起了举足轻重的作用。几十年来，计算机元器件制造材料多次更新换代。40年代是电子管，50年代随着半导体材料的问世，出现了晶体管，使计算机的体积和重量大为减少。
60年代有了单晶硅材料，开发出了集成电路。即在厚度仅1毫米左右的硅基片上，通过氧化、扩散等方法，沉积上不同类型的半导体薄膜，再用掩膜、光刻等技 术，在薄膜上高密度地刻制不同的电子器件，如晶体管、电阻、电容等，建造了极其复杂和功能齐全的集成电路。集成电路中，单个半导体器件的体积为晶体管的几 万分之一，电子管的一百多万分之一。
70年代末，又开始出现了大规模集成电路。80年代以来，集成度得到了不断的提高，从而使计算机在功能迅速提高的同时，体积进一步变小，笔记本电脑早已投入商用。在集成电路制造过程中，单硅晶的超纯、无位错和大尺寸起着十分关键的作用，而这些极大地依赖于化学科学：
1．使用化学提纯法，保证制造单硅晶的所有原料，如氢气、四氯化硅等，纯度在六个“9”以上；
2．在拉制单晶硅的过程中，要根据晶体化学的理论，对温度、气氛和成晶速度进行严格控制，以保证晶硅的晶格距离上下一致，无位错和无漩涡；
3．刻制集成电路时，需要90多种化学材料和70多种化学试剂，它们的杂质含量要在0.01ppm（即亿分之一）以下。
现在最大规模的集成电路，指甲大小的芯片上的晶体管数目已达550万个（Pentium PRO 1995）。
一般认为，单晶硅片上生产大规模集成电器件的技术已接近极限。如何才能使计算机进一步发展呢？作为计算机发展的目标，除了运算能力要进一步大型化、高速 化之外，还要能够进行思维，即模拟人工智能。从计算机发展的历史不难看出，新材料的出现，往往可以导致计算机的升级换代，因此，在制作材料上必须获得新的 突破。如果我们能够在分子水平上生产电子器件，就有可能接近人脑。进入90年代以来，许多发达国家竞相投资，加紧研制开发“分子元件”，目前已取得了许多 成果。
分子开关
开关，是以二进制为基础的电子计算机的主要器件之一。要在分子水平上研制分子计算机，分子开关是十分关键的。目前，科学家主要倾向于电控、温控 和光控等类型的分子开关的研制。一种氧化还原型电控开关，是利用化学物质蒽醌套索醚的电化学特性。电化学还原使冠醚“胳膊”接通，而氧化作用又使其断开， 从而可处于“开”和“关”两种状态（见图1）。由于其形状酷似美国西部用来捕捉动物的套索，故称为套索醚。
光控分子开关，是通过不同波长的光源来调节分子的构型，达到开关的目的（见图2）。N－邻羟亚苄基苯胺分子开关，被认为是构思巧妙的光控分子开关（见图3）。这种物质具有光致重排性
图3 N－邻羟亚苄基苯胺光控分子开关
（图3a），如果将多聚乙炔链与N－邻羟亚苄基苯胺相连（图3b）不难看出，左边为分子处于基态时的情况，与邻羟亚苄基直接相连的多聚乙炔链的共轭体系， 为单链、双键相间的连续传导系统，即分子开关呈开启状态，而右边是分子的光致激发状态，多聚乙炔链的共轭体系发生间断，从而使其传导功能终止，分子开关呈 关闭状态。这种光控分子开关被认为是目前最为精巧的设计。
分子导线
用分子作开关，那么连接开关的导线也不能再用金属导线了。分子导线的研制工作，也取得了进展。1991年英国学者提出利用盘状液晶作分子导线。1992年美国科学家提出了构思巧妙的离子传导隧道，它是以套索醚为基本单元的超分子系统。
我国华东理工大学的焦家俊先生设想以脱氧核糖核酸作导线，是很有应用前景的分子导线，因为核酸在激发态下具有良好的能量传导性，见图4。事实上，具有非 凡思维功能的人脑是目前任何超级电子计算机都不可比拟的，而人脑的信息存储与传递的基本“元件”就是由核酸构成的。此外，核酸的合成已经实现自动化，设计 和合成具有特定功能的复杂分子体系已不再是幻想。因此，焦先生认为，未来模拟人脑的电脑，其信息存储与传导体系将主要由核酸构成。
由于有机合成化学家的努力，分子开关、分子导线以及分子整流器和分子存储器的设计与合成等研究工作已经初见成效。然而，如何将这些分子元件组合成功能电路，还是21世纪分子电子学领域的一个具有挑战性的课题。
1982年研制成功的扫描隧道电子显微镜（STM），使人们对于在分子水平上研制电子器件充满信心。STM不仅是一种分辨本领极高的分析仪器，科学家已成功的利用STM将单个原子进行移动，原子操作仪估计不久将问世。
虽然目前还有许多问题需要解决，但人们对最终研制成功分子计算机充满信心。如果说当初人类登上月球，是实现了科学的幻想，那么现成的分子计算机已经存在，而且是所有动物的常规设备（大脑）。所以，分子计算机不会是太遥远的科学梦幻。
