纳米结构中的热传导调控被认为与多类现代技术密切相关，包括高性能计算芯片散热与能量转换器件等。尽管近年来研究界在纳米尺度热输运机理方面取得进展，但“在单个分子中仅替换一个原子是否足以显著改变声子传输”此前仍缺乏明确证据。

德国奥格斯堡大学与美国密歇根大学安娜堡分校组成的国际研究团队在一项新研究中报告称，通过在单个分子内进行单原子替换，可以实现对热传导的显著调控。研究对象为“单分子接触”结构，即单个分子连接两端金电极，被研究团队描述为可设想的最小热组件之一。相关成果发表于《自然材料》（Nature Materials）。

卤素替换带来热导率系统性下降

研究以苯二胺（BDA）为起点。该分子由一个苯环及两个氨基构成，氨基使其能够与金电极形成定向接触。研究人员在苯环上将一个氢原子依次替换为更重的卤素原子：氟、氯、溴和碘。

研究结果显示，这些分子接触的电导率在替换前后几乎没有变化，但热传导呈现清晰趋势：替换原子越重，热导率越低。未替换分子与碘替换变体之间的热导率差异接近两倍。

奥格斯堡大学物理学院理论组负责人Fabian Pauly表示，单个原子对热传导产生显著影响、而电荷传输几乎不变，为在分子材料中分别调控热流与电流提供了新的可能性。该理论组对实验观察背后的基本原理进行了阐释。

低温高分辨测量与理论建模解释机制

研究团队称，该工作建立在奥格斯堡大学Pauly团队与密歇根大学Edgar Meyhofer和Pramod Reddy实验团队多年的合作基础上。

在实验测量方面，密歇根团队开发了新型热量计扫描探针传感器，并使用氮化铌温度计，在约-180°C的低温条件下实现了较以往系统高一个数量级的分辨率。研究人员表示，借助更尖锐的扫描探针尖端与低温环境，实验首次实现了可忽略的热背景，从而满足测量单个分子极小热流的前提。

论文共同第一作者之一、Pauly团队博士生Matthias Blaschke曾赴密歇根大学与实验团队协作。他表示，面对面交流使其能够将计算结果与测量数据直接对比，从而厘清热传导衰减背后的物理机制。

理论建模给出的解释是：较重原子的引入会打破分子的高度对称性，进而抑制振动模式之间的建设性干涉；当取代原子为溴、碘等更重元素时，传输函数中还会出现新的反共振，进一步降低热流。

对分子材料热管理的启示

研究团队认为，这一结果不仅有助于加深对原子尺度热传导的基础理解，也为金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）以及分子热电材料等体系的热传导优化提供了思路。在这些材料类别中，分子通常作为连接单元存在，研究人员指出，针对单个原子的定向替换可能成为调控热性能的一项设计原则。