隨著我們的設備變得越來越小，在電子電路中使用分子作為主要元件變得越來越重要。在過去的10年里，研究人員一直在嘗試使用單分子作為導線，因為它們具有尺寸小、獨特電子特性以及高可調性等特性。但在大多數分子導線中，隨著導線長度的增加，電子在導線上傳輸的效率呈指數下降。這一缺陷使得制造長分子導線非常具有挑戰性，這種導線比納米線長得多，能夠很好地導電。

哥倫比亞大學的研究人員近日宣布，他們已經制造出了一種有2.6納米長的納米線，隨著導線長度的增加，該納米線的電導率也異常增加，且具有準金屬性質。它優良的導電性為分子電子學領域帶來了巨大的希望，可以讓電子設備變得更小。

分子線設計

哥倫比亞工程學院和哥倫比亞化學系的研究團隊，以及德國的理論家和中國的合成化學家，共同探索了可支持兩端未配對電子的分子線設計，該類電子線將形成拓撲絕緣體（TI）的一維類似物，拓撲絕緣體邊緣具有高導電性，但中心則絕緣。

雖然最簡單的一維拓撲絕緣體是由碳原子構成的，末端碳原子支持自由基狀態，即未配對電子，但這些分子通常非常不穩定。碳不喜歡有未配對的電子。用氮取代自由基所在的末端碳，可以提高分子的穩定性。該團隊的共同負責人Latha Venkataraman、應用物理教授和化學教授Lawrence Gussman表示：“這使得由碳鏈制成，但以氮終止的一維拓撲絕緣體更加穩定，我們可以在室溫下以及一般的環境條件下就能使用它們?！?/p>

打破指數衰減規則

通過化學設計和實驗相結合，該團隊創建了一系列一維拓撲絕緣體，并成功打破了指數衰減規則，即一個量以與其當前值成比例的速率減少的過程公式。利用這兩種自由基邊緣態，研究人員通過分子生成了一條高導電路徑，并實現了’反向電導衰減’，即一個系統顯示出電導率隨著導線長度的增加而增加。

Venkataraman表示：“真正令人興奮的是，我們的金屬線具有與金-金屬點觸點相同的導電性，這表明分子本身具有準金屬性質。我們的研究表明，有機分子可以在單分子水平上表現出與金屬類似的行為，這與過去他們只具有弱導電性形成了對比?！?/p>

研究人員設計并合成了雙（三芳胺）分子系列，通過化學氧化顯示出一維拓撲絕緣體的特性。他們對分子連接到源極和漏極的單分子結進行電導測量。通過測量，該團隊表示，更長的分子具有更高的電導，直到金屬絲的直徑超過2.5納米，大約為人類DNA鏈的長度。

為分子電子學的更多技術進步奠定基礎

“Venkataraman實驗室一直在尋求了解單分子電子器件的物理、化學和工程之間的相互關系，”該實驗室的博士生Liang Li補充道?！耙虼?，創造這些特殊的導線將為重大科學進展奠定基礎。我們對我們的發現感到非常興奮，因為它們不僅闡述了基礎物理，而且還揭示了未來的潛在應用?！?/p>

該團隊目前正在開發新的設計，以建造更長且仍具有高導電性的分子導線。

審核編輯 ：李倩