科學(xué)家首次合成純碳環(huán)形分子,可能是分子級(jí)晶體管的關(guān)鍵一步

8月15日，《自然》（Nature）雜質(zhì)今天刊登了一項(xiàng)重大科學(xué)突破：牛津大學(xué)的化學(xué)家和IBM的團(tuán)隊(duì)一起，首次制造出了由18個(gè)碳原子組成的環(huán)形純碳分子，而這在過(guò)去「幾乎難以成功」，曾有無(wú)數(shù)團(tuán)隊(duì)嘗試后放棄了。

一開(kāi)始，科學(xué)家先合成了由碳原子和氧原子組成的三角形分子，然后經(jīng)電流作用產(chǎn)生碳18分子。這種分子被稱(chēng)為「環(huán)碳」（cyclocarbon），初步研究發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)為半導(dǎo)體，這可能對(duì)制造分子級(jí)的晶體管有很大幫助。

很多科學(xué)家表示，這絕對(duì)是「令人震驚的突破」。

碳是一種常見(jiàn)的非金屬元素，由純碳組成的碳單質(zhì)可能外在表現(xiàn)截然不同，如堅(jiān)硬透明的鉆石和黑色、柔軟的石墨，它們被稱(chēng)為「同素異形體」。據(jù)科普中國(guó)介紹，它們不同只要取決于其分子結(jié)構(gòu)，金剛石中，每個(gè)碳原子都與周?chē)?個(gè)碳原子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用緊密結(jié)合，這樣形成的三維結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

石墨則是層狀結(jié)構(gòu)，就一個(gè)片層而言，每1個(gè)碳原子會(huì)與其周?chē)?個(gè)碳原子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用緊密結(jié)合。因?yàn)閷又g的距離較大，碳原子的相互作用較弱，因此石墨很軟、有滑膩感。

理論上，碳分子也可以由相鄰的兩個(gè)原子組成，這樣就形成一個(gè)環(huán)裝結(jié)構(gòu)。過(guò)去已有類(lèi)似的研究，但是這樣的結(jié)構(gòu)相比金剛石和石墨都非常不穩(wěn)定，很難有真實(shí)應(yīng)用。此次的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)則提出了一種新的方法，目前，在一定的前提條件下（基材表面保持冷卻，大約零下450華氏度），新的碳分子可以保持穩(wěn)定。

這可能對(duì)芯片行業(yè)有重大影響。例如目前主流的手機(jī)處理器是10納米和7納米制程，芯片廠商也在研究5納米甚至2納米制程的新產(chǎn)品，廠商在嘗試將晶體管的尺寸越做越小，因?yàn)檫@樣芯片就可以在同樣尺寸下容納更多晶體管，以獲得更強(qiáng)的性能。

現(xiàn)在，比拇指還小的芯片上能容納上億個(gè)晶體管，你的手機(jī)比當(dāng)年登月工程使用的計(jì)算機(jī)有更強(qiáng)的性能。

驅(qū)動(dòng)科技行業(yè)快速發(fā)展的摩爾定律就是對(duì)這種趨勢(shì)的總結(jié)，「集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍。」

但是，當(dāng)晶體管越做越小的同時(shí)，摩爾定律也開(kāi)始受到挑戰(zhàn)，這主要是因?yàn)槭芪锢硖匦缘挠绊?，?dāng)芯片采用越來(lái)越小的制程時(shí)，會(huì)遇到各種各樣的，如制造工藝、功耗，甚至包含漏電。

摩爾本人也曾預(yù)測(cè)過(guò)摩爾定律將在2020年失效，不過(guò)，他當(dāng)時(shí)提出的幾個(gè)問(wèn)題都已經(jīng)得到了解決。芯片行業(yè)目前遇到的瓶頸，已經(jīng)觸及材料的物理極限，要突破瓶頸很可能需要借助新材料的發(fā)展。如果能制造出分子級(jí)的晶體管，電子行業(yè)進(jìn)入分子電子學(xué)時(shí)代，摩爾定律將再次顯現(xiàn)威力。