美国密歇根大学工程学院与德国奥格斯堡大学的研究人员在《自然材料》期刊上发表了一项新研究。该研究表明，通过替换单个原子，可以精确调控单分子结的热导率，同时保持电导率不变。

在实验中，研究人员将一个小有机分子置于两个金电极之间，并用逐渐变重的卤素原子（氟、氯、溴和碘）替换其中的一个氢原子。结果显示，每次替换更重的原子都导致热传输进一步降低，当使用碘原子时，热流减少了一半。

密歇根大学机械工程与材料科学与工程教授、该研究的共同通讯作者Pramod Reddy表示：“这有力地证明了热流可以以原子精度控制——这种能力可能改变我们设计热电设备和用于热管理的分子材料的方式。”

纳米尺度热传输是电子设备热管理和新型能量转换设备设计的关键。研究团队开发了一种高灵敏度的量热扫描探针，将热背景噪声降低到每开尔文1皮瓦以下，比先前方法提升了近十倍。这种探针能够同时测量电和热传输，为单分子结研究提供了精确工具。

密歇根大学机械工程教授、共同通讯作者Edgar Meyhofer说：“我们在Lurie纳米制造设施开发的量热扫描探针在低温下实现皮瓦分辨率。这种灵敏度水平不仅使当前发现成为可能，而且为原子和分子尺度的热传输打开了一个全新的实验窗口。”

实验过程中，研究人员将探针尖端与涂有苯二胺的金基底接触，形成单分子结。通过替换不同卤素原子，他们观察到热导率系统性下降，而电导率保持不变。密歇根大学机械工程博士后、主要作者Yuxuan Luan指出：“数据的清晰度给了我们真正的信心，我们看到了单个原子对声子传输的真实影响。”

奥格斯堡大学合作者的计算分析表明，更重的原子扰乱了热声子的移动，从而减少了热流。这一发现有助于开发纳米电子学电路组件和定制分子材料的热性能，如共价有机框架和金属有机框架，这些材料在气体储存和催化等领域有应用潜力。

该研究为系统探索单原子线、聚合物链和量子设备的热传输奠定了基础，随着量子计算技术的发展，纳米尺度热控制将变得越来越重要。

出版详情：作者：Patricia DeLacey, University of Michigan College of Engineering；标题：《Swapping one atom can cut heat flow through a molecule by half》；发表于：《Nature Materials》(2026)；期刊信息: Nature Materials