3.2 实现了单原子和单分子操纵
自STM成功发明，并在科技领域获得广泛应用之后，人们就希望能够把STM探针作为在微观世界中操纵原子的“手”，实现人们直接操纵原子的梦想。90年代初期，IBM 的科学家在Ni表面用Xe原子写出“IBM”三个字母，首先展示了在低温下利用STM进行单个原子操纵的可能性。随后科学家们又构造出了更多的原子级人工结构和更具实际物理含义的人工结构“量子栅栏”。
通常有以下几种可能的单原子或单分子操纵方式：
利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式；
通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。
IBM的科学家将C60分子放置在Cu单晶表面，利用STM针尖让C60分子沿着Cu表面原子晶格形成的台阶做直线运动。他们将一组10个C60分子沿一个台阶排成一列，多个等间距的这样的分子链，就构成了世界上最小的“分子算盘”，利用STM针尖可以来回拨动“算盘珠子”，从而进行运算操作。当然，这项工作的意义并不在于人们要用这样小的算盘来进行计算，而是在于它展示了一种前所未有的对单个分子的控制能力。有了这样的手段，我们就可以从真正意义上去构造分子器件，以实现其真正的应用价值。
3.3 单分子化学反应已经成为现实
提起化学反应，我们最容易联想起来的一组画面就是：化学家将放在几个不同瓶子里的药品倒在一起，然后再通过搅拌或加热等一系列的步骤以获得他们想要的最终产物。然而，现在，科学家们所能做的要比这精细得多，他们甚至可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现“选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
一个更为直观的例子是由Park等人完成的，他们将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。利用这样的方法，科学家就有可能设计和制造具有各种全新结构的新物质。可以
想象，如果我们能够随心所欲地对单个的原子和分子进行操纵和控制，我们就有可能制造出更多的新型药品、新型催化剂、新型材料和更多的我们暂时还无法想象的新产品，这必将对我们的生活产生深远的影响。
3.4 在分子水平上构造电子学器件
人们一直在追求电子器件的高速化与小型化。而当前电子器件的制造工艺从本质上仍属于传统的“从上到下”的方法，即通过开发现有的宏观工艺手段的潜力来实现微型化程度的提高。如果能够按照我们的意愿，采取与之相反的“从下到上”方法，就如同用砖和瓦盖房子一样，在分子水平上增加结构的复杂度，一个一个地控制和操纵功能单分子，设计和构造各种功能器件，这无疑是一个激动人心的设想。利用单分子的独特的量子电子学特性，IBM的科学家构造了第一个单分子放大器。
其原理是，利用STM针尖压迫C60单分子，使C60分子变形，从而通过改变其内部的结构而使其电导增加了两个数量级。这种过程是可逆的，当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因此可以把这个体系看成是一种“电力”开关。其开关能耗仅为10-18J，比现有固体开关电路要小一万倍，而它的开关频率则要高得多。尽管这类的单分子放大器还仅仅处于实验室演示阶段，但不管怎样，它作为第一个单分子放大器的模型，其
卓越的低能耗和高速度特性向人们展示了单分子器件的前景和魅力。
然而分子器件的构造并不是简单地将现有的电子器件的尺寸缩小。伴随着尺寸的减小，器件的量子电子学特性将变得越来越明显，这就需要我们重新认识它们的性质和行为。在单原子和单分子尺度，电子学行为将遵循量子力学规律，而不是我们所熟知的经典力学规律。一些我们已习以为常的问题在单分子的尺度上将不得不重新仔细考虑。
