Värmeöverföring genom en enda molekyl har mätts för första gången av ett internationellt team av forskare som leds av University of Michigan.

Detta kan vara ett steg mot molekylär datorbearbetning - bygga upp kretsar från molekyler i stället för att hugga ut dem av kisel som ett sätt att maximera Moores lag och göra de mest kraftfulla konventionella datorerna möjliga.

Moores lag började som en observation att antalet transistorer i en integrerad krets fördubblas vartannat år, fördubbla densiteten hos processorkraften. Molekylär databehandling anses allmänt vara Moore's Laws slutspel, men många hinder står i vägen, varav en är värmeöverföring.

"Värme är ett problem i molekylär beräkning eftersom de elektroniska komponenterna i huvudsak är strängar av atomer som överbryggar två elektroder. När molekylen blir varm, atomerna vibrerar mycket snabbt, och strängen kan bryta, "sa Edgar Meyhofer, U-professor i maskinteknik.

Tills nu, värmeöverföringen längs dessa molekyler kunde inte mätas, än mindre kontrollerad. Men Meyhofer och Pramod Reddy, även professor i maskinteknik vid U-M, har lett det första experimentet som observerar i vilken takt värmen strömmar genom en molekylär kedja. Deras team inkluderade forskare från Japan, Tyskland och Sydkorea.

"Även om elektroniska aspekter av molekylär databehandling har studerats under de senaste 15 eller 20 åren, värmeflöden har varit omöjliga att studera experimentellt, "Sa Reddy." Den snabbare värmen kan försvinna från molekylära korsningar, de mer tillförlitliga framtida molekylära datorer kan vara. "

Meyhofer och Reddy har byggt förmågan att göra detta experiment i nästan ett decennium. De har utvecklat en värmemätare, eller kalorimeter, som är nästan helt isolerad från resten av rummet, möjliggör en utmärkt värmekänslighet. De värmde kalorimetern till cirka 20 till 40 Celsius grader över rumstemperaturen.

Kalorimetern var utrustad med en guldelektrod med en nanometerstor spets, ungefär en tusendel tjockleken på ett människohår. U-M-gruppen och ett team från Kookmin University, besöker Ann Arbor från Seoul, Sydkorea, framställde en guldelektrod vid rumstemperatur med en beläggning av molekyler (kedjor av kolatomer).

De tog ihop de två elektroderna tills de bara rörde, vilket gjorde det möjligt för några kedjor av kolatomer att fästa vid kalorimeterns elektrod. Med elektroderna i kontakt, värme flödade fritt från kalorimetern, liksom en elektrisk ström. Forskarna drog sedan långsamt isär elektroderna, så att bara kedjorna av kolatomer kopplade dem.

Under separationen dessa kedjor fortsatte att slita eller släppa, en efter den andra. Teamet använde mängden elektrisk ström som flödade över elektroderna för att utläsa hur många molekyler som fanns kvar. Medarbetare vid University of Konstanz i Tyskland och Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University i Japan hade beräknat den nuvarande förväntade när bara en molekyl återstod - liksom den förväntade värmeöverföringen över den molekylen.

När en enda molekyl fanns kvar mellan elektroderna, laget höll elektroderna vid den separationen tills den bröt av sig själv. Detta orsakade plötsligt, minimal stigning i kalorimeterns temperatur, och från den temperaturhöjningen, teamet räknade ut hur mycket värme som hade strömmat genom enmolekylära kolkedjan.

De genomförde värmeflödesförsök med kolkedjor mellan två och 10 atomer långa, men kedjans längd tycktes inte påverka hur snabbt värmen rörde sig genom den. Värmeöverföringshastigheten var cirka 20 picowatt (20 biljoner tiondelar av watt) per grad Celsius skillnad mellan kalorimetern och elektroden som hölls vid rumstemperatur.

"I den makroskopiska världen, för ett material som koppar eller trä, värmeledningsförmågan sjunker när materialets längd ökar. Metallernas elektriska konduktans följer också en liknande regel, "sa Longji Cui, första författare och en 2018 U-M Ph.D. examen, för närvarande en postdoktor i fysik vid Rice University.

"Dock, saker är väldigt olika på nanoskala, "Sa Cui." Ett extremt fall är molekylära korsningar, där kvanteffekter dominerar deras transportegenskaper. Vi fann att den elektriska konduktansen sjunker exponentiellt när längden ökar, medan den termiska konduktansen är mer eller mindre densamma. "

Teoretiska förutsägelser tyder på att värmes lätthet i nanoskala håller i sig även när molekylkedjorna blir mycket längre, 100 nanometer i längd eller mer-ungefär 100 gånger längden på 10-atomskedjan som testades i denna studie. Teamet undersöker nu hur man undersöker om det är sant.