隨著設(shè)備不斷縮小，其測(cè)量和設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。對(duì)于基于分子連接的器件，其中單個(gè)分子與金屬或半導(dǎo)體結(jié)合，我們有多種技術(shù)來(lái)研究和表征它們的電傳輸特性。相比之下，在納米尺度上探測(cè)此類(lèi)結(jié)的熱傳輸特性已被證明更具挑戰(zhàn)性，并且其中許多與溫度相關(guān)的量子現(xiàn)象仍然知之甚少。

在一些研究中，科學(xué)家們?cè)O(shè)法使用一種稱(chēng)為掃描熱顯微鏡 (SThM) 的技術(shù)，在納米尺度上測(cè)量了分子結(jié)中的熱傳輸特性。這種方法包括將一個(gè)非常鋒利的金屬尖端與目標(biāo)材料接觸，并在整個(gè)材料表面移動(dòng)這個(gè)尖端。使用激光從后面加熱的尖端包含一個(gè)熱電偶。這種小型設(shè)備測(cè)量溫差，因此通過(guò)平衡激光引起的尖端加熱與流入目標(biāo)樣品的熱量引起的尖端冷卻，可以逐點(diǎn)測(cè)量材料的熱傳輸特性。

在最近發(fā)表在《化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上的一項(xiàng)研究中，東京理工大學(xué)的科學(xué)家在使用 SThM 時(shí)報(bào)告了一個(gè)偶然但重要的發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)采用 SThM 技術(shù)來(lái)測(cè)量自組裝單層 (SAM) 的熱傳輸特性。這些樣品包含正十六烷硫醇、正丁烷硫醇和苯硫醇之間三個(gè)可能對(duì)中每一個(gè)的交替條紋。除了采用標(biāo)準(zhǔn)的基于接觸的 SThM 方法外，研究人員還嘗試使用非接觸方式，其中掃描熱顯微鏡的尖端保持在樣品上方而不接觸樣品。出乎意料的是，他們意識(shí)到這種非接觸式制度具有一定的潛力。

在接觸式 SThM 機(jī)制中，熱量直接從尖端流向樣品。相比之下，在非接觸式 SThM 方案中，針尖和樣品之間的唯一熱傳遞是通過(guò)熱輻射發(fā)生的。正如該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解到的那樣，雖然接觸方式最適合可視化熱傳輸特性，但非接觸方式對(duì)從基板“伸出”的分子的實(shí)際長(zhǎng)度更為敏感。因此，非接觸和接觸方式的結(jié)合提供了一種同時(shí)創(chuàng)建樣品的地形和熱傳輸圖像的全新方式。

此外，與其他成熟的顯微鏡技術(shù)相比，非接觸式方法具有優(yōu)勢(shì)，如該論文的第一作者 Shintaro Fujii 副教授解釋說(shuō)：“非接觸式 SThM 方法是完全非破壞性的，與原子力等其他技術(shù)不同顯微鏡，這確實(shí)需要掃描尖端和樣品之間的接觸，因此具有可能損壞軟有機(jī)材料的機(jī)械沖擊。”

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究提供的見(jiàn)解將為新技術(shù)進(jìn)步和更深入地理解納米級(jí)材料鋪平道路。“我們的工作不僅首次提供了有機(jī) SAM 的熱圖像，而且還提供了一種研究熱傳輸特性的新技術(shù)，這對(duì)于各種類(lèi)型納米器件的熱管理至關(guān)重要，”Fujii 總結(jié)道。

讓我們希望這項(xiàng)工作能幫助科學(xué)家闡明熱現(xiàn)象的許多奧秘。