超越摩尔定律?走向分子计算机:首次测量了单分子间的传热!

走向分子计算机,密歇根大学领导一个国际研究小组首次测量了单分子间的传热。这可能是朝着分子计算迈出的一步:用分子构建电路,而不是用硅来雕刻电路,以此来最大限度地利用摩尔定律,使最强大的传统计算机成为可能。摩尔定律始于一项观察,即集成电路中的晶体管数量每两年翻一番,处理能力的密度也就翻一番。分子计算被普遍认为是摩尔定律的终极目标,但仍有许多障碍,其中之一就是传热。

热是分子计算中的一个问题,因为电子元件本质上是连接两个电极的原子串。当分子变热时,原子会快速振动,弦就会断裂。直到现在,沿着这些分子传递的热量还无法测量,更不用说控制了。但是Meyhofer和Pramod Reddy,同样是密歇根大学机械工程教授,已经领导了第一个实验,观察热量通过分子链的速度,团队包括来自日本、德国和韩国的研究人员。虽然过去15年或20年来人们一直在研究分子计算的电子方面,但热流动实验研究是不可能的,分子结释放的热量越快,未来的分子计算设备就越可靠。

Meyhofer和Reddy已经建立了做这个实验的能力将近十年了,他们开发了一种热测量装置,或称量热计,几乎完全与房间的其他部分隔离,使其具有极佳的热灵敏度,研究人员把量热计加热到比室温高20到40摄氏度。量热计装有一个金电极,电极尖端有纳米大小,大约是人类头发厚度的千分之一。密歇根大学的研究小组和韩国国民大学的一个研究小组在访问韩国首尔的安娜堡时,制备了一种涂有分子(碳原子链)涂层的室温金电极,把两个电极连接在一起,直到它们刚刚接触。

这使得一些碳原子链能够附着在量热计的电极上。当电极接触时,热量从量热计中自由流动,就像电流一样。然后研究人员慢慢地将电极分开,这样只有碳原子链将电极连接起来。在分离的过程中,这些链条一个接一个地不断断裂或脱落。研究小组用流过电极的电流量来推断还剩下多少分子。德国康斯坦茨大学和日本冲绳理工学院研究生院的合作者计算出了仅剩一个分子时的电流预期,以及该分子间的传热预期。当单个分子留在电极之间时,研究小组将电极保持在这种分离状态,直到它自己分离。

这导致量热计的温度突然出现了微小的上升,从温度的上升中,研究小组计算出了有多少热量流过单分子碳链。对2个到10个原子之间的碳链进行了热流实验,但碳链的长度似乎并不影响热量通过碳链的速度。在室温下,量热计和电极之间的热传导速率大约为每摄氏度20皮瓦(20万亿分之一瓦特)。在宏观世界中,对于铜或木头这样的材料,导热系数随着材料长度的增加而降低,金属的电导也遵循类似的规律。

然而在纳米尺度上,情况却大不相同,一个极端的例子是分子连接,其中量子效应支配着它们的传输特性,研究发现,随着长度的增加,电导呈指数下降,而导热系数基本相同。理论预测表明,即使分子链变得更长,100纳米或更长(大约是本研究中测试的10个原子链长度的100倍)纳米级的热易于移动的现象仍然存在,该团队目前正在探索如何研究这是否属实。