手机和设备变得越小、越智能，就越需要构建更小的电路。上世纪70年代，有远见的科学家们提出，可以用分子而不是电线来构建电路，在过去的几十年里，这项技术已经成为现实。
问题是，有些分子具有特别复杂的相互作用，这使得很难预测它们中哪些可能擅长充当微型电路。但芝加哥大学的两名化学家在一篇新论文中提出了一种创新的方法，通过计算电子对之间的相互作用，并将这些相互作用外推到分子的其他部分，从而降低了计算成本，提高了计算精度。
“目前的模型往往会高估电导，但我们的理论比传统模型的表现要高出一到两个数量级，”论文的合著者戴维·马齐奥蒂(David Mazziotti)教授说。该论文于5月31日发表在《自然通讯化学》(Nature’s Communications Chemistry)杂志上。
从更好的计算机芯片和电池到更环保的化学品生产方式，一切都取决于发现新的化学成分和材料，科学家们越来越多地指望计算机来更有效地寻找新的组合。他们可以运行预测最佳选择的模型，而不是一个接一个地尝试排列。
但这是一门微妙的艺术，因为在许多情况下，这些计算会以惊人的速度消耗计算时间。在有很多相互作用的电子的分子中，“你很快就能得到计算大小随分子大小呈指数增长的结果，”Mazziotti说。
Mazziotti和研究生Manas Sajjan着手进行简化，创建了一种预测分子电导率的方法，该方法使用两个电子之间的相互作用来表示所有的相互作用。“举个例子，对于一个特定的分子，传统的方法可能需要用1024个变量来计算，而我们的方法只有109个变量——少了千万亿个变量，”Sajjan说。这就是你需要一台超级计算机来解决的问题和你可以用笔记本电脑解决的问题之间的区别。
这个选择允许一种不寻常但强大的方法。现有的分子电导率理论为分子设定了一定的电压值，以预测流过分子的电流。Sajjan和Mazziotti颠覆了这种模式。他们先固定电流，然后计算电压。事实证明，这种方法更加准确:当他们用一种已知的分子来检验他们的方法时，他们发现这种方法比传统方法的效果好一到两个数量级。
“重要的是它非常严格。即使有了传导，仍然有一个与多电子系统一对一的映射，”Mazziotti说。确保双电子系统仍然代表多电子系统的过程是一个非常具有挑战性的问题，这个问题已经存在了大约50年，但是他说，这是值得努力的。
“人们试图解决的几乎所有大问题都涉及到使用传统方法难以探索的材料，”他说。“如果我们能更好地预测电导率，我们就能更有效地设计出更好的分子和材料。”
引文:“电流约束密度矩阵理论计算分子电导率具有更高的准确性。2018年5月31日，玛纳斯·萨吉詹和大卫·马齐奥蒂，《自然通讯化学》。DOI: 10.1038 / s42004 – 018 – 0030 – 2
资助:美国陆军研究办公室、国家科学基金会、美国空军科学研究办公室。