向分子計算機進發：他們首次測量到了單個分子的熱傳遞

近日，密歇根大學的一個跨國研究團隊，首次測量到了單分子之間的熱傳遞。這可能是向分子計算邁出的重要一步：直接用分子構建電路，而不是把電路從矽片中雕琢出來；這種方法可能達到摩爾定律的最大值，從而造出最強大的傳統計算機。

摩爾定律最初是這樣說的：集成電路能容納的晶體管數目每兩年會翻一番，計算能力也會翻一番。人們認為，照這樣發展，晶體管最後會越來越小，最終發展到分子大小，照著摩爾定律發展，終極形式一定會是分子計算。然而在通往分子計算機的路上還有許多障礙，熱傳遞就是其中之一。

「分子計算機的的電子元件，基本上就是兩個電極和它們之間的原子串。當分子變熱，這些原子就會快速振動，原子串就可能斷裂。因此，傳熱是分子計算機的一個問題所在。」芝加哥大學機械工程系的教授埃德加·梅霍夫（Edgar Meyhofer）說。

「分子計算機的前景，取決於分子結處的熱量是否能夠快速耗散。」他的合作者普拉蒙·雷迪（Pramond Reddy）教授說。但是，現在的技術根本無法測試這些分子之間的熱傳遞。

而這個技術最近有了關鍵性的突破。芝加哥大學的團隊首次測量到了分子鏈上的傳熱速率。他們的團隊成員包括了來自日本、德國和韓國的研究人員。2017年，這個研究團隊曾首次觀察到，在室溫下將金屬拉伸成一條單原子粗細的原子結時，熱量會以量子化的方式傳導。

在室溫下將金屬拉伸成一條單原子粗細的原子結時，熱量會以量子化的方式傳導丨密歇根大學

為了搭建可進行這個實驗的平台，梅霍夫和雷迪已努力了近十年。他們製作了一種和周圍環境近乎絕熱的量熱計，使它們具有超高的熱靈敏度。使用時，要把量熱計加熱到比室溫高20-40攝氏度。

量熱計上裝有金制電極，電極有一個納米級尺寸的尖端，大約是人類頭髮直徑的幾千分之一。研究組製備了一個表面包覆了碳分子鏈塗層的金電極，電極本身為室溫。

他們將兩個電極逐漸靠近，直到剛剛好相互接觸，這使得金電極上的一些碳原子鏈能夠附著在量熱計的電極上。這時，熱量從熱量計中自由地流出，就像電流一樣。然後研究人員慢慢將兩個電極拉開，這樣只有碳原子鏈連接在電極之間。

在分離過程中，這些分子鏈一個接一個不斷撕裂或掉落。通過測量流經電極的電流，研究者能夠推斷剩餘的分子數量。來自德國和日本的合作者計算出了只剩最後一個分子時預期的電流值，以及應該通過這個分子傳遞的熱量。

當電極之間只剩下了一個分子時，研究小組將電極的距離保持不變，直到分子自己脫落。這會導致量熱計產生突然而輕微的溫度上升。通過這個小小的的溫度升高，研究團隊得以算出有多少熱量流經了單分子碳鏈。

實驗原理示意圖丨密歇根大學

他們對2到10個原子長的碳鏈進行了實驗，發現鏈的長度似乎並沒有影響熱量傳導的速率。在室溫下，量熱計和電極之間的傳熱速率約為20皮瓦/每攝氏度，1皮瓦為20萬億分之一瓦。

「在宏觀世界中，對於像銅或木材這樣的材料，熱導率隨著材料長度的增加而下降。金屬的電導率也遵循類似的規則，」論文的第一作者，2018年畢業的崔龍基（Longji Cui）博士說。現在他是萊斯大學物理系的一名博士後研究員。

「然而，納米尺度下的情況會和宏觀尺度下的差別很大。」崔博士說。「極端情況之一就是在分子結的層面上，這時傳熱是量子化的。我們發現，電導率隨著長度的增加呈指數下降，而熱導率卻差不多保持不變。」

理論計算預測，即使分子鏈長得多，比如100納米或更長——這大約是100倍於本實驗中使用的10個碳原子構成的鏈——熱量的傳導也能保持一樣的水平。目前，研究團隊正在探索如何用實驗證明這個猜想的正確性。

接下來，研究團隊也會嘗試去測量短分子鏈或聚合物鏈的熱傳導。

翻譯：巴利斯坦

編輯：Luna、李子

參考來源：

密歇根大學官網及https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/uom-tmc071819.php

譯文版權屬於果殼，未經授權不得轉載.

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