客观日本

冲绳科技大学等从分子尺度上测量和解释热传递

2019年10月17日 化学材料

经过数年的理论和实验研究,包括冲绳科技大学研究生院(OIST)研究者在内的国际研究团队终于成功测量出热量通过单个分子在两个金电极之间流动的方式。这篇研究于2019年7月17日在《自然》杂志上发表,这也是第一个从分子尺度上成功测量和解释热传递的研究。

冲绳科技大学等从分子尺度上测量和解释热传递

如图所示,热的金制显微镜探针巧妙地悬停在冷的金制基底上的,以使这两者通过夹在之间的烷烃分子连接起来。这样,热量便可通过该分子从热探针流向冷基底。

在2000年左右,科学家们首次测量了电子如何流过单个分子,并研究了一些其它的相关性质,例如单分子如何发光。但是在分子尺度上以量化的方式解释热量转移或热导仍然是一项艰巨的挑战,因为这需要相当高的热测量分辨率。为了实现这个艰难的目标,该国际团队必须在实验和理论两个方面上同时开展工作。

密歇根大学的科学家开发了一种称为扫描热显微镜[1]的装置,该装置将单个烷烃分子固定在镀金探针和金原子层之间。在把金探针加热之后,用特殊的方式将其固定在冷的金基底上方,以使烷烃分子在探针尖端和基底层之间形成连接。由于温度的差异,热量会通过分子从热的金探针传输到冷的金基底上。

该研究中所使用的烷烃分子由韩国国民大学的研究者合成。热传导是我们大多数人都熟悉的过程,热量可以通过多种方式传递。在该研究中,热量是由烷烃分子中原子的振动传导的,这可以由扫描热显微镜侦测到。虽然每次测量仅需几秒钟,但显微镜会收集许多试验的平均值,以确定单个分子的热导率。同时,该团队针也对不同长度的烷烃分子进行了研究。在此研究之前,Pauly课题组对此类单分子结的热导率大小进行了理论预测。该预测为实验研究者们提供了与所需测量分辨率有关的重要信息。

“我们已经证明了分子尺度上的热传递与分子长度无关,现在则必须设法找出如何增强或减少热传递的途径。” Pauly说,“我们最终想要做的,是找到通过分子设计来控制热流的方法。” Pauly解释说,要想调节热量流过材料的多少,首先需要在分子尺度上详细理解热流。 “例如,为了表征可用于将热量转换为电能的热电器件的效率,必须先知道该器件的热导率。”

该国际研究团队开发的新的实验和理论工具,为研究热量如何在分子尺度上传输铺平了道路,并且有希望通过设计新的分子结构而找到控制热量传输的新方法。

用词解释:
1. 扫描热显微镜(SThM):
是一种扫描探针显微镜,用于映现界面的局部温度和热导率。 扫描热显微镜中的探头对局部温度非常敏感,可作为纳米尺度的温度计。 纳米级的热测量在科学和工业两方面都具有非凡的意义。

引用文献:
“Thermal conductance of single-molecule junctions”
Longji Cui, Sunghoon Hur, Zico Alaia Akbar, Jan C. Klöckner, Wonho Jeong, Fabian Pauly, Sung-Yeon Jang, Pramod Reddy & Edgar Meyhofer
Nature 572, 628–633 (2019)

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供稿 钟维
编辑修改 JST客观日本编辑部

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