'科學家首次合成純碳環形分子，這可能是分子級晶體管的關鍵一步'

8 月 15 日，《自然》（Nature）雜質今天刊登了一項重大科學突破：牛津大學的化學家和 IBM 的團隊一起，首次製造出了由 18 個碳原子組成的環形純碳分子，而這在過去「幾乎難以成功」，曾有無數團隊嘗試後放棄了。

▲用原子力顯微鏡製作的 碳-18 分子的 3D 圖像. 圖片來自：IBM

一開始，科學家先合成了由碳原子和氧原子組成的三角形分子，然後經電流作用產生碳 18 分子。這種分子被稱為「環碳」（cyclocarbon），初步研究發現它表現為半導體，這可能對製造分子級的晶體管有很大幫助。

很多科學家表示，這絕對是「令人震驚的突破」。

碳是一種常見的非金屬元素，由純碳組成的碳單質可能外在表現截然不同，如堅硬透明的鑽石和黑色、柔軟的石墨，它們被稱為「同素異形體」。據科普中國介紹，它們不同只要取決於其分子結構，金剛石中，每個碳原子都與周圍的 4 個碳原子通過強烈的相互作用緊密結合，這樣形成的三維結構非常穩定。

▲ 圖片來自：科普中國

石墨則是層狀結構，就一個片層而言，每 1 個碳原子會與其周圍的 3 個碳原子通過強烈的相互作用緊密結合。因為層之間的距離較大，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原子組成，這樣就形成一個環裝結構。過去已有類似的研究，但是這樣的結構相比金剛石和石墨都非常不穩定，很難有真實應用。此次的科學家團隊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定。

這可能對芯片行業有重大影響。例如目前主流的手機處理器是 10 納米和 7 納米制程，芯片廠商也在研究 5 納米甚至 2 納米制程的新產品，廠商在嘗試將晶體管的尺寸越做越小，因為這樣芯片就可以在同樣尺寸下容納更多晶體管，以獲得更強的性能。

現在，比拇指還小的芯片上能容納上億個晶體管，你的手機比當年登月工程使用的計算機有更強的性能。

驅動科技行業快速發展的摩爾定律就是對這種趨勢的總結，「集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔兩年便會增加一倍。」

但是，當晶體管越做越小的同時，摩爾定律也開始受到挑戰，這主要是因為受物理特性的影響，當芯片採用越來越小的製程時，會遇到各種各樣的，如製造工藝、功耗，甚至包含漏電。

摩爾本人也曾預測過摩爾定律將在 2020 年失效，不過，他當時提出的幾個問題都已經得到了解決。芯片行業目前遇到的瓶頸，已經觸及材料的物理極限，要突破瓶頸很可能需要藉助新材料的發展。如果能製造出分子級的晶體管，電子行業進入分子電子學時代，摩爾定律將再次顯現威力。