新模型：利用雙電子相互作用更精準地預測分子導電性！

導讀

近日，美國芝加哥大學的兩位化學家發表的一篇新論文表明，一種創新方法將通過計算電子對之間的相互作用以及推斷其餘分子之間的相互作用，節省計算成本並提高精準度。

背景

如今，手機與電子設備變得越小越智能，就越需要構建越來越小的電路。富有遠見的科學家們在1970年代就提出，採用分子取代電線來構造電路，在過去的幾十年里，這項技術逐漸成為了現實。科學家們通過分子電子學方法，已經設計出導線、晶體管、整流器、場效應管、開關等器件，甚至可以將分子器件組成完整的邏輯電路。

關於分子電子學的研究，筆者之前有過介紹，下面舉兩個例子來回顧一下：

1）瑞士伯爾尼大學與英國國家物理實驗室（NPL）研究人員組成的國際研究團隊開發出一種新方案，展示了分子可以共價鏈接到機械結構穩定的石墨烯基質上的，成為下一代分子電子學器件的理想候選方案。

（圖片來源：Alexander Rudnev/瑞士伯爾尼大學）

2）德國PDI固體電子學研究所、柏林自由大學、日本電報電話公司基礎研究實驗室、美國海軍研究實驗室構建出一個可被精準控制的分子晶體管。這種分子晶體管標誌著科學家向著更加高級的小型電子器件邁出了重要的一步。

（圖片來源：美國海軍研究實驗室）

但是，分子電子器件的研究存在一個問題，就是某些分子具有特別複雜的相互作用，因此難以預測它們中的哪一個適用於小型電路。

創新

近日，美國芝加哥大學的兩位化學家發表的一篇新論文表明，一種創新方法將通過計算電子對之間的相互作用以及推斷其餘分子之間的相互作用，節省計算成本並提高精準度。

（圖片來源：Jean Lachat/芝加哥大學）

論文於5月31日發表在自然出版集團下屬刊物《通訊-化學（Communications Chemistry）》上。論文的合著者 David Mazziotti 教授表示：「現有的模型傾向於過度預測電導率，但是我們的理論勝過傳統的模型差不多一兩個數量級。」

技術

從計算機晶元和電池到生產化學物質的更加綠色的方法，一切都依賴於新型化學成分和材料。科學家們越來越多地依靠計算機更加有效地搜索新組合。他們並不是一個接一個地嘗試排列組合，而是運行能夠預測出最佳選項的模型。

但是，這是一種精緻的藝術，因為在許多情況下，這些計算消耗運算時間的速度快得驚人。在含有許多相互作用的電子的分子中，Mazziotti 表示：「你將很快地達到隨著分子大小呈指數式增長的計算規模。」

Mazziotti 和研究生 Manas Sajjan 嘗試讓一切變得簡單，他們創造出一種預測分子導電性的方法，該方法採用雙電子之間的相互作用來代表所有的相互作用。Sajjan 表示：「舉例來說，對於特殊的分子，傳統的方法可能需要計算1024 個變數，而我們的方法只需要計算109個變數，變數減少到千萬億分之一。」 這就像你需要一台超級計算機來運算的問題與你用一台筆記本電腦就可以處理的問題之間的差異。

這種選擇帶來一種非同尋常且非常強大的方法。現有的分子導電性理論將一定數量的電壓施加到分子上，來預測流經分子的電流的數量。Sajjan 和 Mazziotti 顛倒了這個範式。他們首先固定電流，然後計算出電壓。這將會更加準確：當他們通過一種眾所周知的分子檢測自己的方法時，他們發現該方法勝過傳統方法達一兩個數量級。

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

Mazziotti 表示：「重點是它真的很嚴謹。即使在導電性方面，對於多電子系統仍然會有一對一映射關係。」確保雙電子的系統仍然可以代表多電子系統的過程，是一個具有50年左右歷史的挑戰性問題，但是他說這個問題值得挑戰。

他說：「人們嘗試解決的幾乎所有大問題，都涉及傳統方法難以研究的材料。如果我們能更好地預測導電性，那麼就可以更加有效地設計更好的分子和材料。」

關鍵字

分子、電子、計算

參考資料

【1】https://news.uchicago.edu/article/2018/06/01/less-more-when-it-comes-predicting-molecules-conductivity

【2】Manas Sajjan, David A. Mazziotti. Current-constrained density-matrix theory to calculate molecular conductivity with increased accuracy. Communications Chemistry, 2018; 1 (1) DOI: 10.1038/s42004-018-0030-2

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