近年来，随着科学技术水平与理论研究的不断提高与完善，一些具有特殊功能的分子器件已经可以成功设计与制造。相信在不远的将来分子器件必将能实现工业化生产。

1.2.2分子开关

分子尺度的电子和光学器件在快速发展的信息技术以及新能源材料如光伏太阳能电池中具有重要作用。特别是可以在两个或更多稳定状态之间可逆地转换的分子对于数据存储和逻辑组件表现出相当大的前途。比如，萘酞菁分子的氢互变异构化反应使得其能实现这种可逆转换，因而具有作为分子开关的潜力。最近，Bazarnik等人报道了通过在物理吸附阱中捕获分子，以此实现在金属表面上染料分子的直接光切换。分子开关的基本要求，即可逆性和双稳态，可以外部刺激来实现。常见的外部刺激包括：光、电场、电子、温度和化学改性等等。然而，在分子开关领域中仍然存在许多挑战，几种互补设计目前也正在研究中。下面就来简单介绍几种不同外部刺激类型的分子开关。

（1）光致开关基于光机械效应，通过光致变色体系将光能转化为机械能，因此该体系可以用作制造分子器件原型的模块。在光致变色分子中，偶氮苯及其衍生物在表面上的顺-反异构化反应使其可以作为光感应分子开关。然而，由于分子与基底表面耦合，该过程可以在表面处被淬灭。通过将四个叔丁基“支脚”连接到偶氮苯支架（C12H10N2），Comstock[8]等人证明了在Au（111）面可实现顺-反可逆光致机械转换。这些支脚从基底撑起偶氮苯分子，从而通过减少分子-表面耦合来增加分子光机械活性。实验结果表面，基底上原先全是反式偶氮苯分子，经过3个小时的紫外光照射后，开始出现顺式偶氮苯分子。理论研究表明，有两种可能的机制可以解释这种顺反转换。一种是C-N=N角的面内弯曲的反转机制，另一种是旋转机构，表现为N=N键平面外旋转。但是，对于吸附在金属表面的偶氮苯，则提出了这种转换先在金属表面的D谱带中形成一个孔并且随后从HOMO转移电子[9]。与液相比，吸附在固相表面上的偶氮苯分子具有较低的光机械效率。近年来，通过研究这种异构反应已经提出了多种应用，如光学数据存储设备，传感器和光供电分子器件。

（2）电场感应开关通过外加电场也可以实现有效的分子开关状态转换。由于电场的存在，反应势能通道会发生变形，从而可以有效降低转换势垒。该效应取决于固有偶极矩的存在和取向以及分子的极化率[10]。利用上述的偶氮苯有机分子，Alemani等人通过STM观察到了电场诱发的偶氮苯顺-反异构可逆转换[11]。将STM尖端定位在分子小岛上方的固定高度处，通过关闭反馈回路并将脉冲电压施加到岛的中心来进行异构化实验。经过九次相同的脉冲之后，可以观察到偶氮苯从反式向顺式转变。同时还发现了在收缩尖端时阈值电压增加。即使在没有隧道电流流动的非常大的样品尖端距离处，异构化过程也发生。此外，当尖端位于裸露表面上方时，也可能在分子岛附近发现异构化分子。因此通过所有这些观察结果，可以得到反式顺式异构化是由STM接合点中的电场引发的结论。比较光致开关和电场感应开关两者，可以发现不同的外部刺激可用于操作相同的分子。

（3）温度感应开关在一些分子系统中，两个分子状态之间的能垒相对较低，在这种情况下，可以通过热激发来转换分子状态。然而这种由温度激发的切换不具有很强的方向性。除非在分子的两种异构体之间存在显着的能量差异，否则可以在两个方向上进行切换。Weigelt等人研究了具有热诱导构象变化的模型系统[12]。在该系统中，分子以类似砖墙上的砖的堆砌方式平行于基底吸附其上并排列成行。通过观察发现，存在三个表面构象异构体：一个非手性内消旋形式（LR/RL）和两个手性对映异构体（LL和RR）。从STM的图像中，可以发现叔丁基明亮的凸起部分从分子主链一侧转移到另一侧。这种自发翻转过程意味着分子可以在不同的表面构象之间相互转换。该体系的分子连接形成两种具有不同手性的风车式结构，这种结构完全由两种手性対映异构体（LL/RR）中的一种组成。经研究表明，在表面上的同手性组装在异质不对称催化中具有一定意义。