單分子熱傳遞速率首次測得向研製分子計算機邁出重要一步

2020-12-08 新華網客戶端

 該圖顯示了通過單個分子（一個橋接室溫電極和加熱電極尖頭原子級尖端的碳原子鏈）的熱。圖片來源：物理學家組織網

        據物理學家組織網近日報導，美國密西根大學領導的國際研究團隊首次測量了通過單個分子的熱傳遞速率，朝製造出分子計算機邁出重要一步。分子計算利用分子而非矽來創建電路，可最大化摩爾定律，使造出最強大的傳統計算機成為可能。

        摩爾定律稱，集成電路中電晶體的數量每兩年翻一番，目前認為摩爾定律已經「日薄西山」的言論層出不窮。人們普遍認為分子計算是摩爾定律的「終結者」，但研製分子計算機還面臨諸多障礙，熱傳遞就是其中之一。熱傳遞是指由於溫度差引起的能量轉移。由熱力學第二定律可知，有溫度差存在時，熱必然從高溫處傳遞到低溫處。

        機械工程教授埃德加·邁霍費爾說：「熱是分子計算中的一個重要問題，因為電子元件基本上是連接兩個電極的原子串。當分子變熱時，原子會快速振動，導致原子串斷裂。」

        但迄今為止，科學家一直無法測量沿這些分子的熱傳遞情況，更不用說對其進行控制了。在最新研究中，研究人員進行了第一個觀察熱量流經分子鏈速度的實驗。

        近十年來，邁霍費爾團隊一直在為此做準備。他們開發了一種量熱儀，其擁有出色的熱敏性，他們將量熱計加熱到20℃—40℃。量熱計配備有一個金色電極，其擁有一個納米尺寸的尖端；另外，韓國科學家準備了一個帶有分子塗層（碳原子鏈）的室溫金電極。

        他們將兩個電極放在一起，直到它們剛接觸，這使碳原子鏈上的一些原子能附著在量熱計的電極上。在電極接觸的情況下，熱量從熱量計中自由流出，然後研究人員將電極慢慢拉開，使只有碳原子鏈能連接它們。

        他們用2—10個原子長的碳鏈進行了熱流實驗，但鏈的長度似乎不影響熱量通過它的速率。在室溫下，傳熱速率為量熱計和電極之間每相差1℃，傳熱約為20皮瓦（20萬億分之一瓦）。

        理論預測表明，即使分子鏈變得更長，長度為100納米甚至更多，納米級的熱傳遞也是這種情況，該團隊希望釐清這一情況是否屬實。

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