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计算机功能和运算能力的发展越来越快，更新换代的速度几乎达到难以想象的程度。于是，是否能够做到和人脑相近，甚至于超过人脑水平的问题，便成为人们普遍关注的热点。目前看来，要想做出肯定回答，有两个技术关键必须解决，亦即计算机电路的微型化和芯片的集成度能否继续不断提高。但經过多年的努力，在克服上述技术难关方面仍无突破性进展。这种态势激发了人们另辟蹊径，着手研发其他类型计算机的热情。随着纳米技术的兴起、分子生物学、化学合成和材料科学与技术的进展，量子计算机、生物计算机、分子计算机等的研制，已經成为相关学科领域的重要研究课题之一。由于分子计算机的部件均由具有特定功能的分子承担，它们之间的整合，通常要通过形成不同类型的化学键来完成，因此分子计算机的制造过程，被视为一个化学全合成过程，而且是其他领域专家无法独立完成的。所以，把它说成是化学家的乐园，应当是恰如其分的。
1 山穷水尽疑无路
以同态半导体和硅为基体的微电子技术的发展，遵循着一个非常著名的定律——摩尔定律。即每經过18至24个月，电路运算速度大约翻一番。历經40年的变化后，固态微电子学已經发展到在几个平方厘米的小硅片上，做出几百万个尺寸为0.18μm的晶体管的水平。但是如果和分子器件相比，它们仍然是太大了。二者大致相当于整页文字和一个句点之比。也就是说，即使硅晶体管的尺度缩小到120 nm的水平时，它仍然比分子器件要大60000倍!其次，当芯片上晶体管密度进一步提高后，杂散信号增多、散热困难、以及制造工艺难度的增加，都将影响到微电子技术的进展。而且由于經济上不再合算，传统的硅基微电子学可能会失去继续按照摩尔定律发展下去的动力。
事实上，不少专家认为，当晶体管达到0.1微米的水平时，挑战将变得更加严峻，因为集成电路加工技术所遇到的网难是随着晶体管密度的增加呈指数增长的，但是它的經济效益却不一定能够达到同样地增长速度。不少专家认为在2015年左右，芯片的产值可能高达200亿美元，但是小型化也将出现停滞，因为成本实在太高了。
在原子或分子中，电子所处的能级是量子化的，即非连续的，有点象梯子上的踏板那样表现为有限的分立值(只是间隔并不相同，离核越远，间隔越小)。在集成电路中，即使是最小的微型晶体管对于电子的量子化来说，仍然是太大了。在这些器件中，电子的运动是由硅原子的物理特性如能带结构所决定的。这意味着电子可以在硅的某个许可的能带中自由地运动，可是能带和单个原子或分子的能级相比实在是太大了，可能达到电子从所在器件向邻近器件泄漏时所需的能量。当器件尺寸达到几百纳米时，防止代表信息的微小电流从所在器件泄漏到邻近器件中去将变得非常棘手。
2 柳暗花明又村
近年来在分子计算机研究方面的巨大进步，被认为是解决这个问题的另一个可能途径。虽然目前预言它的成功还为时过早，但是从这个领域最近取得到的研究成果来看，其发展前景值得关注。
分子电子学和分子电子器件的研究发展很快，使得制造超小型、超密集的新一代计算机的理想，經过一度沉寂与困惑之后，再次激起了新的研究热情。化学家、物理学家和工程学家的一系列研究成果表明，由单个分子实现导电、开关和信息存贮等功能的设想，已經逐步成为现实。
3 分子器件构建术之——由元件做起
分子器件除了能够更加可靠地保持电子外，依据量子力学原理，經过特殊设计的分子还能表现出其他的功能。例如，作为“导线”的长形分子，电子要能够很容易地从一端流向另一端。电子在任何一个量子化了的结构中(如分子)都有由较高能级向较低能级流动的倾向，所以要传输电子就需要具有空的低能量轨道的分子，而且它的低能量轨道要贯穿于整个分子。典型的空的低能量电子轨道是π轨道，并且可以通过相邻分子间电子云的重叠形成共轭，所以π共轭体系是分子导线中的一种。一个有效的器件如晶体管，不仅能够允许电子流过，还必须能够有效地控制这种流动。因此，分子器件工程师的任务在于利用量子世界能级分立的特性，设计出轨道特性能够满足控制要求的分子来。例如，当分子中的轨道发生重叠时电子可以流过，但是当分子被扭曲或者构型被其他因素影响使得重叠被干扰时，电子的流动将被阻滞。所以，在分子水平上实现这种控制的关键在于，如何通过对分子间轨道重叠的微扰有效地调控在低能轨道上流过的电子的数量。
利用化学合成方法可以设计并合成出具有特定组成、结构和轨道排布的分子。更重要的是，在同一时间内可以制造出大量同类分子，而且是“绝对相同无误”的。均一性在分批式制造过程中很难做到，而且往往是极其昂贵的。1999年7月，HP公司和加州大学(洛杉矶分校)的化学家们用几百万个分子梭分子(在一条两端附近各具有一个电性可调控基团的长链上，套上一个能够自由运动的环状分子。通过外场的调制，例如利用H 离子的加合或丢失来改变控制基团的极性，这个环状分子便会在分子链上来回移动，类似于纺织机上的梭，所以称作分子梭)制成的分子膜，已經具备电子开关的功能。把若干个这种开关组合在一起，就成了能够进行基本逻辑运算的AND门的雏形。在这项成果发表后一个月左右，耶鲁和里斯两所大学成功地制成另一类具有可逆性的分子开关和能够作为存贮器用的分子，后者可以通过对电子的存贮来改变分子的电导率。最简单而有效的分子器件2：--是一种由三个苯环连成的链状共轭分子。苯环之间的连接在结构上不是很僵硬，要想使分子轨道的共轭程度发生改变，原则上只要找到一种能够控制分子结构扭曲程度的办法就可以实现，从而成为一种电流大小能够控制的分子器件。换言之，这是一种具有开关功能的器件。
在分子中部的苯环上面引入NO2和NH2两种基团，它们分别处于中间的那个苯环的两边，并指向外部。这种不对称的构象使得分子的电子云分布非常容易受干扰。因而使得分子的扭曲变形对外电场十分敏感。按这样的思路已經做出来一种有效的分子器件，当对这个分子施加电压时，电场就会使中间的苯环发生扭转，整个分子不再共面，电流的流通将受到阻碍。外电场移去后，分子又会自动地变回到原来的共面状态，于是，电流又可以继续流过。实验证明，这个极其微小的器件在作为开关时，其灵敏度远胜于任何已有的固态开关器件。
往分子中引入在外加电压下能够捕获电子的基团，是实现上述功能的关键。因为在这种条件下，分子对于电子流动的阻力可以由外电场来调制。当外电场电极性改变时，可以反复地使分子在导电与不导电两种状态间来回地变动，这正是电子开关必需具备的特性。这个器件是由夹在两片金属导体间的约由1000个带有硝基、氨基和巯基的三联苯的单分子层组成(如图1所示)。利用硝基和氨基在苯环上电极性的不同(前者为负，后者为正)在外电场作用下，处于三联苯中间的苯分子发生旋转，三个苯环不再在一个平面上(大盯键被破坏)电子流动受到阻碍，变为不导电。无外场时，三个苯环在分子中恢复共面，状态转为导电。巯基用以实现和金属基体的连接，形成电子通路。H 和氨基的结合和离去，可以调制器件对电子的
1 山穷水尽疑无路
以同态半导体和硅为基体的微电子技术的发展，遵循着一个非常著名的定律——摩尔定律。即每經过18至24个月，电路运算速度大约翻一番。历經40年的变化后，固态微电子学已經发展到在几个平方厘米的小硅片上，做出几百万个尺寸为0.18μm的晶体管的水平。但是如果和分子器件相比，它们仍然是太大了。二者大致相当于整页文字和一个句点之比。也就是说，即使硅晶体管的尺度缩小到120 nm的水平时，它仍然比分子器件要大60000倍!其次，当芯片上晶体管密度进一步提高后，杂散信号增多、散热困难、以及制造工艺难度的增加，都将影响到微电子技术的进展。而且由于經济上不再合算，传统的硅基微电子学可能会失去继续按照摩尔定律发展下去的动力。
事实上，不少专家认为，当晶体管达到0.1微米的水平时，挑战将变得更加严峻，因为集成电路加工技术所遇到的网难是随着晶体管密度的增加呈指数增长的，但是它的經济效益却不一定能够达到同样地增长速度。不少专家认为在2015年左右，芯片的产值可能高达200亿美元，但是小型化也将出现停滞，因为成本实在太高了。
在原子或分子中，电子所处的能级是量子化的，即非连续的，有点象梯子上的踏板那样表现为有限的分立值(只是间隔并不相同，离核越远，间隔越小)。在集成电路中，即使是最小的微型晶体管对于电子的量子化来说，仍然是太大了。在这些器件中，电子的运动是由硅原子的物理特性如能带结构所决定的。这意味着电子可以在硅的某个许可的能带中自由地运动，可是能带和单个原子或分子的能级相比实在是太大了，可能达到电子从所在器件向邻近器件泄漏时所需的能量。当器件尺寸达到几百纳米时，防止代表信息的微小电流从所在器件泄漏到邻近器件中去将变得非常棘手。
2 柳暗花明又村
近年来在分子计算机研究方面的巨大进步，被认为是解决这个问题的另一个可能途径。虽然目前预言它的成功还为时过早，但是从这个领域最近取得到的研究成果来看，其发展前景值得关注。
分子电子学和分子电子器件的研究发展很快，使得制造超小型、超密集的新一代计算机的理想，經过一度沉寂与困惑之后，再次激起了新的研究热情。化学家、物理学家和工程学家的一系列研究成果表明，由单个分子实现导电、开关和信息存贮等功能的设想，已經逐步成为现实。
3 分子器件构建术之——由元件做起
分子器件除了能够更加可靠地保持电子外，依据量子力学原理，經过特殊设计的分子还能表现出其他的功能。例如，作为“导线”的长形分子，电子要能够很容易地从一端流向另一端。电子在任何一个量子化了的结构中(如分子)都有由较高能级向较低能级流动的倾向，所以要传输电子就需要具有空的低能量轨道的分子，而且它的低能量轨道要贯穿于整个分子。典型的空的低能量电子轨道是π轨道，并且可以通过相邻分子间电子云的重叠形成共轭，所以π共轭体系是分子导线中的一种。一个有效的器件如晶体管，不仅能够允许电子流过，还必须能够有效地控制这种流动。因此，分子器件工程师的任务在于利用量子世界能级分立的特性，设计出轨道特性能够满足控制要求的分子来。例如，当分子中的轨道发生重叠时电子可以流过，但是当分子被扭曲或者构型被其他因素影响使得重叠被干扰时，电子的流动将被阻滞。所以，在分子水平上实现这种控制的关键在于，如何通过对分子间轨道重叠的微扰有效地调控在低能轨道上流过的电子的数量。
利用化学合成方法可以设计并合成出具有特定组成、结构和轨道排布的分子。更重要的是，在同一时间内可以制造出大量同类分子，而且是“绝对相同无误”的。均一性在分批式制造过程中很难做到，而且往往是极其昂贵的。1999年7月，HP公司和加州大学(洛杉矶分校)的化学家们用几百万个分子梭分子(在一条两端附近各具有一个电性可调控基团的长链上，套上一个能够自由运动的环状分子。通过外场的调制，例如利用H 离子的加合或丢失来改变控制基团的极性，这个环状分子便会在分子链上来回移动，类似于纺织机上的梭，所以称作分子梭)制成的分子膜，已經具备电子开关的功能。把若干个这种开关组合在一起，就成了能够进行基本逻辑运算的AND门的雏形。在这项成果发表后一个月左右，耶鲁和里斯两所大学成功地制成另一类具有可逆性的分子开关和能够作为存贮器用的分子，后者可以通过对电子的存贮来改变分子的电导率。最简单而有效的分子器件2：--是一种由三个苯环连成的链状共轭分子。苯环之间的连接在结构上不是很僵硬，要想使分子轨道的共轭程度发生改变，原则上只要找到一种能够控制分子结构扭曲程度的办法就可以实现，从而成为一种电流大小能够控制的分子器件。换言之，这是一种具有开关功能的器件。
在分子中部的苯环上面引入NO2和NH2两种基团，它们分别处于中间的那个苯环的两边，并指向外部。这种不对称的构象使得分子的电子云分布非常容易受干扰。因而使得分子的扭曲变形对外电场十分敏感。按这样的思路已經做出来一种有效的分子器件，当对这个分子施加电压时，电场就会使中间的苯环发生扭转，整个分子不再共面，电流的流通将受到阻碍。外电场移去后，分子又会自动地变回到原来的共面状态，于是，电流又可以继续流过。实验证明，这个极其微小的器件在作为开关时，其灵敏度远胜于任何已有的固态开关器件。
往分子中引入在外加电压下能够捕获电子的基团，是实现上述功能的关键。因为在这种条件下，分子对于电子流动的阻力可以由外电场来调制。当外电场电极性改变时，可以反复地使分子在导电与不导电两种状态间来回地变动，这正是电子开关必需具备的特性。这个器件是由夹在两片金属导体间的约由1000个带有硝基、氨基和巯基的三联苯的单分子层组成(如图1所示)。利用硝基和氨基在苯环上电极性的不同(前者为负，后者为正)在外电场作用下，处于三联苯中间的苯分子发生旋转，三个苯环不再在一个平面上(大盯键被破坏)电子流动受到阻碍，变为不导电。无外场时，三个苯环在分子中恢复共面，状态转为导电。巯基用以实现和金属基体的连接，形成电子通路。H 和氨基的结合和离去，可以调制器件对电子的