走向分子計(jì)算機(jī)，密歇根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)國際研究小組首次測(cè)量了單分子間的傳熱。這可能是朝著分子計(jì)算邁出的一步：用分子構(gòu)建電路，而不是用硅來雕刻電路，以此來最大限度地利用摩爾定律，使最強(qiáng)大的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)成為可能。

摩爾定律始于一項(xiàng)觀察，即集成電路中的晶體管數(shù)量每兩年翻一番，處理能力的密度也就翻一番。分子計(jì)算被普遍認(rèn)為是摩爾定律的終極目標(biāo)，但仍有許多障礙，其中之一就是傳熱。

熱是分子計(jì)算中的一個(gè)問題，因?yàn)殡娮釉举|(zhì)上是連接兩個(gè)電極的原子串。當(dāng)分子變熱時(shí)，原子會(huì)快速振動(dòng)，弦就會(huì)斷裂。直到現(xiàn)在，沿著這些分子傳遞的熱量還無法測(cè)量，更不用說控制了。但是Meyhofer和Pramod Reddy，同樣是密歇根大學(xué)機(jī)械工程教授，已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，觀察熱量通過分子鏈的速度，團(tuán)隊(duì)包括來自日本、德國和韓國的研究人員。雖然過去15年或20年來人們一直在研究分子計(jì)算的電子方面，但熱流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究是不可能的，分子結(jié)釋放的熱量越快，未來的分子計(jì)算設(shè)備就越可靠。

Meyhofer和Reddy已經(jīng)建立了做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的能力將近十年了，他們開發(fā)了一種熱測(cè)量裝置，或稱量熱計(jì)，幾乎完全與房間的其他部分隔離，使其具有極佳的熱靈敏度，研究人員把量熱計(jì)加熱到比室溫高20到40攝氏度。量熱計(jì)裝有一個(gè)金電極，電極尖端有納米大小，大約是人類頭發(fā)厚度的千分之一。密歇根大學(xué)的研究小組和韓國國民大學(xué)的一個(gè)研究小組在訪問韓國首爾的安娜堡時(shí)，制備了一種涂有分子(碳原子鏈)涂層的室溫金電極，把兩個(gè)電極連接在一起，直到它們剛剛接觸。

這使得一些碳原子鏈能夠附著在量熱計(jì)的電極上。當(dāng)電極接觸時(shí)，熱量從量熱計(jì)中自由流動(dòng)，就像電流一樣。然后研究人員慢慢地將電極分開，這樣只有碳原子鏈將電極連接起來。在分離的過程中，這些鏈條一個(gè)接一個(gè)地不斷斷裂或脫落。研究小組用流過電極的電流量來推斷還剩下多少分子。德國康斯坦茨大學(xué)和日本沖繩理工學(xué)院研究生院的合作者計(jì)算出了僅剩一個(gè)分子時(shí)的電流預(yù)期，以及該分子間的傳熱預(yù)期。當(dāng)單個(gè)分子留在電極之間時(shí)，研究小組將電極保持在這種分離狀態(tài)，直到它自己分離。

這導(dǎo)致量熱計(jì)的溫度突然出現(xiàn)了微小的上升，從溫度的上升中，研究小組計(jì)算出了有多少熱量流過單分子碳鏈。對(duì)2個(gè)到10個(gè)原子之間的碳鏈進(jìn)行了熱流實(shí)驗(yàn)，但碳鏈的長度似乎并不影響熱量通過碳鏈的速度。在室溫下，量熱計(jì)和電極之間的熱傳導(dǎo)速率大約為每攝氏度20皮瓦(20萬億分之一瓦特)。在宏觀世界中，對(duì)于銅或木頭這樣的材料，導(dǎo)熱系數(shù)隨著材料長度的增加而降低，金屬的電導(dǎo)也遵循類似的規(guī)律。

然而在納米尺度上，情況卻大不相同，一個(gè)極端的例子是分子連接，其中量子效應(yīng)支配著它們的傳輸特性，研究發(fā)現(xiàn)，隨著長度的增加，電導(dǎo)呈指數(shù)下降，而導(dǎo)熱系數(shù)基本相同。理論預(yù)測(cè)表明，即使分子鏈變得更長，100納米或更長（大約是本研究中測(cè)試的10個(gè)原子鏈長度的100倍）納米級(jí)的熱易于移動(dòng)的現(xiàn)象仍然存在，該團(tuán)隊(duì)目前正在探索如何研究這是否屬實(shí)。

博科園｜研究/來自：密歇根大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1420-z

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