近日，密歇根大学的一个跨国研究团队，首次测量到了单分子之间的热传递。这可能是向分子计算迈出的重要一步：直接用分子构建电路，而不是把电路从硅片中雕琢出来；这种方法可能达到摩尔定律的最大值，从而造出最强大的传统计算机。摩尔定律最初是这样说的：集成电路能容纳的晶体管数目每两年会翻一番，计算能力也会翻一番。
人们认为，照这样发展，晶体管最后会越来越小，最终发展到分子大小，照着摩尔定律发展，终极形式一定会是分子计算。然而在通往分子计算机的路上还有许多障碍，热传递就是其中之一。
“分子计算机的电子元件，基本上就是两个电极和它们之间的原子串。当分子变热，这些原子就会快速振动，原子串就可能断裂。因此，传热是分子计算机的一个问题所在。”密歇根大学机械工程系的教授埃德加·梅霍夫（Edgar Meyhofer）说。
“分子计算机的前景，取决于分子结处的热量是否能够快速耗散。”他的合作者普拉蒙·雷迪（Pramond Reddy）教授说。但是，现在的技术根本无法测试这些分子之间的热传递。而这个技术最近有了关键性的突破。
密歇根大学的团队首次测量到了分子链上的传热速率。他们的团队成员包括了来自日本、德国和韩国的研究人员。2017年，这个研究团队曾首次观察到，在室温下将金属拉伸成一条单原子粗细的原子结时，热量会以量子化的方式传导。为了搭建可进行这个实验的平台，梅霍夫和雷迪已努力了近十年。他们制作了一种和周围环境近乎绝热的量热计，使它们具有超高的热灵敏度。使用时，要把量热计加热到比室温高20-40摄氏度。
量热计上装有金制电极，电极有一个纳米级尺寸的尖端，大约是人类头发直径的几千分之一。研究组制备了一个表面包覆了碳分子链涂层的金电极，电极本身为室温。他们将两个电极逐渐靠近，直到刚刚好相互接触，这使得金电极上的一些碳原子链能够附着在量热计的电极上。这时，热量从热量计中自由地流出，就像电流一样。然后研究人员慢慢将两个电极拉开，这样只有碳原子链连接在电极之间。
在分离过程中，这些分子链一个接一个不断撕裂或掉落。通过测量流经电极的电流，研究者能够推断剩余的分子数量。来自德国和日本的合作者计算出了只剩最后一个分子时预期的电流值，以及应该通过这个分子传递的热量。当电极之间只剩下了一个分子时，研究小组将电极的距离保持不变，直到分子自己脱落。这会导致量热计产生突然而轻微的温度上升。通过这个小小的温度升高，研究团队得以算出有多少热量流经了单分子碳链。
他们对2到10个原子长的碳链进行了实验，发现链的长度似乎并没有影响热量传导的速率。在室温下，量热计和电极之间的传热速率约为20皮瓦/每摄氏度，1皮瓦为20万亿分之一瓦。“在宏观世界中，对于像铜或木材这样的材料，热导率随着材料长度的增加而下降。金属的电导率也遵循类似的规则，”论文的第一作者，2018年毕业的崔龙基（Longji Cui）博士说。现在他是莱斯大学物理系的一名博士后研究员。
“然而，纳米尺度下的情况会和宏观尺度下的差别很大。”崔博士说。“极端情况之一就是在分子结的层面上，这时传热是量子化的。我们发现，电导率随着长度的增加呈指数下降，而热导率却差不多保持不变。”
理论计算预测，即使分子链长得多，比如100纳米或更长——这大约是100倍于本实验中使用的10个碳原子构成的链——热量的传导也能保持一样的水平。目前，研究团队正在探索如何用实验证明这个猜想的正确性。接下来，研究团队也会尝试去测量短分子链或聚合物链的热传导。