經過數年的理論和實驗研究，包括沖繩科學技術大學院大學研究生院（OIST）研究者在内的國際研究團隊終於成功測量出熱量透過單個分子在兩個金電極之間流動的方式。這篇研究於2019年7月17日在《自然》雜誌上發表，這也是第一個從分子尺度上成功測量和解釋熱輸送的研究。
如圖所示，熱的金制顯微鏡探針巧妙地滯空在冷的金制基底上的，以使這兩者透過夾在之間的石蠟分子連接起來。這樣，熱量便可透過該分子從熱探針流向冷基底。
在2000年左右，科學家們首次測量了電子如何流過單個分子，並研究了一些其它的相關質，例如單分子如何發光。但是在分子尺度上以量化的方式解釋熱量轉移或熱導仍然是一項艱鉅的挑戰，因爲這需要相當高的熱測量解析度。爲了實施這個艱難的目標，該國際團隊必須在實驗和理論兩個方面上同時開展工作。
密歇根大學的科學家開發了一種稱爲掃描熱顯微鏡[1]的裝置，該裝置將單個石蠟分子固定在鍍金探針和金原子層之間。在把金探針加熱之後，用特殊的方式將其固定在冷的金基底上方，以使石蠟分子在探針尖端和基底層之間形成連接。由於溫度的差異，熱量會透過分子從熱的金探針傳輸到冷的金基底上。
該研究中所使用的石蠟分子由韓國國民大學的研究者合成。熱傳導是我們大多數人都熟悉的程序，熱量可以透過多種方式傳遞。在該研究中，熱量是由石蠟分子中原子的振動傳導的，這可以由掃描熱顯微鏡偵測到。雖然每次測量僅需幾秒鐘，但顯微鏡會收集許多試驗的平均值，以確定單個分子的熱導率。同時，該團隊針也對不同長度的石蠟分子進行了研究。在此研究之前，Pauly課題組對此類單分子結的熱導率大小進行了理論預測。該預測爲實驗研究者們提供了與所需測量解析度有關的重要資訊。
「我們已經證明了分子尺度上的熱輸送與分子長度無關，現在則必須設法找出如何強化或減量熱輸送的途徑。」 Pauly說，「我們最終想要做的，是找到透過分子設計來控制熱流的方法。」 Pauly解釋說，要想調節熱量流過材料的多少，首先需要在分子尺度上詳細理解熱流。 「例如，爲了表徵可用於將熱量轉換爲電能的焦熱電器件的效率，必須先知道該器件的熱導率。」
該國際研究團隊開發的新的實驗和理論工具，爲研究熱量如何在分子尺度上傳輸鋪平了道路，並且有希望透過設計新的分子結構而找到控制熱量傳輸的新方法。
用詞解釋：
1. 掃描熱顯微鏡（SThM）：
是一種掃瞄探針顯微鏡，用於映現界面的局部溫度和熱導率。 掃描熱顯微鏡中的探頭對局部溫度非常敏感，可作爲奈米尺度的溫度計。 奈米級的熱測量在科學和工業兩方面都具有非凡的意義。
引用文獻：
「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)
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
