新模型：利用双电子相互作用更精准地预测分子导电性

导读

近日，美国芝加哥大学的两位化学家发表的一篇新论文表明，一种创新方法将通过计算电子对之间的相互作用以及推断其余分子之间的相互作用，节省计算成本并提高精准度。

背景

如今，手机与电子设备变得越小越智能，就越需要构建越来越小的电路。富有远见的科学家们在1970年代就提出，采用分子取代电线来构造电路，在过去的几十年里，这项技术逐渐成为了现实。科学家们通过分子电子学方法，已经设计出导线、晶体管、整流器、场效应管、开关等器件，甚至可以将分子器件组成完整的逻辑电路。

关于分子电子学的研究，笔者之前有过介绍，下面举两个例子来回顾一下：

1）瑞士伯尔尼大学与英国国家物理实验室（NPL）研究人员组成的国际研究团队开发出一种新方案，展示了分子可以共价链接到机械结构稳定的石墨烯基质上的，成为下一代分子电子学器件的理想候选方案。

（图片来源：Alexander Rudnev/瑞士伯尔尼大学）

2）德国PDI固体电子学研究所、柏林自由大学、日本电报电话公司基础研究实验室、美国海军研究实验室构建出一个可被精准控制的分子晶体管。这种分子晶体管标志着科学家向着更加高级的小型电子器件迈出了重要的一步。

（图片来源：美国海军研究实验室）

但是，分子电子器件的研究存在一个问题，就是某些分子具有特别复杂的相互作用，因此难以预测它们中的哪一个适用于小型电路。

创新

近日，美国芝加哥大学的两位化学家发表的一篇新论文表明，一种创新方法将通过计算电子对之间的相互作用以及推断其余分子之间的相互作用，节省计算成本并提高精准度。

（图片来源：Jean Lachat/芝加哥大学）

论文于5月31日发表在自然出版集团下属刊物《通讯-化学（Communications Chemistry）》上。论文的合著者 David Mazziotti 教授表示：“现有的模型倾向于过度预测电导率，但是我们的理论胜过传统的模型差不多一两个数量级。”

技术

从计算机芯片和电池到生产化学物质的更加绿色的方法，一切都依赖于新型化学成分和材料。科学家们越来越多地依靠计算机更加有效地搜索新组合。他们并不是一个接一个地尝试排列组合，而是运行能够预测出最佳选项的模型。

但是，这是一种精致的艺术，因为在许多情况下，这些计算消耗运算时间的速度快得惊人。在含有许多相互作用的电子的分子中，Mazziotti 表示：“你将很快地达到随着分子大小呈指数式增长的计算规模。”

Mazziotti 和研究生 Manas Sajjan 尝试让一切变得简单，他们创造出一种预测分子导电性的方法，该方法采用双电子之间的相互作用来代表所有的相互作用。Sajjan 表示：“举例来说，对于特殊的分子，传统的方法可能需要计算1024 个变数，而我们的方法只需要计算109个变数，变数减少到千万亿分之一。” 这就像你需要一台超级计算机来运算的问题与你用一台笔记本电脑就可以处理的问题之间的差异。

这种选择带来一种非同寻常且非常强大的方法。现有的分子导电性理论将一定数量的电压施加到分子上，来预测流经分子的电流的数量。Sajjan 和 Mazziotti 颠倒了这个范式。他们首先固定电流，然后计算出电压。这将会更加准确：当他们通过一种众所周知的分子检测自己的方法时，他们发现该方法胜过传统方法达一两个数量级。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

Mazziotti 表示：“重点是它真的很严谨。即使在导电性方面，对于多电子系统仍然会有一对一映射关系。”确保双电子的系统仍然可以代表多电子系统的过程，是一个具有50年左右历史的挑战性问题，但是他说这个问题值得挑战。

他说：“人们尝试解决的几乎所有大问题，都涉及传统方法难以研究的材料。如果我们能更好地预测导电性，那么就可以更加有效地设计更好的分子和材料。”

关键字

分子、电子、计算

参考资料

【1】https://news.uchicago.edu/article/2018/06/01/less-more-when-it-comes-predicting-molecules-conductivity

【2】Manas Sajjan, David A. Mazziotti. Current-constrained density-matrix theory to calculate molecular conductivity with increased accuracy. Communications Chemistry, 2018; 1 (1) DOI: 10.1038/s42004-018-0030-2