新发现揭示分子如何如同音乐般弱化热能

现在，将这个理念缩小到单个小分子，并且想象不是声波，而是携带热量的振动。

科罗拉多大学博尔德分校保罗·M·雷迪机械工程系的一个工程师和材料科学家团队最近发现，这些微小的热振动（也称为声子），可以像音符一样相互干扰——根据分子的“串联”方式，可能相互放大或相互抵消。

声子干涉现象此前从未在分子尺度上于室温下被测量或观察到。但该团队开发了一种新技术，能够揭示这些微小的振动秘密。

这项突破性研究由崔龙吉助理教授及其在崔氏研究小组的团队领导。他们的工作由美国国家科学基金会资助，并与来自西班牙（马德里材料科学研究所、马德里自治大学）、意大利（有机金属化合物化学研究所）以及科罗拉多大学博尔德分校化学系的研究人员合作完成，最近发表在《自然·材料》（Nature Materials）期刊上。

该团队表示，他们的发现将帮助全球的研究人员更好地理解声子的物理行为，声子是所有绝缘材料中主要的能量载体。他们相信，有朝一日，这一发现可能彻底改变未来电子器件和材料中的热管理方式。

“干涉是一种基本现象，”崔教授说（他同时隶属于材料科学与工程项目以及量子材料实验中心）。“如果能够在微观层面上理解热流的干涉，就能创造出前所未有的设备。”

世界上最灵敏的“耳朵”

崔教授表示，分子声子学（即分子中声子的研究）作为一项主要停留在理论上的讨论已存在相当长的时间。但你需要非常灵敏的“耳朵”才能“聆听”这些分子振动旋律，而此前这种技术根本不存在。

直到崔教授及其团队介入，情况才得以改变。

该团队设计了一种比沙粒甚至锯屑颗粒更小的热传感器。这个小探头很特别：它具有创纪录的分辨率，使他们能够捕获单个分子并尽可能在最小尺度上测量声子振动。

利用这些特制的微型热传感器，团队研究了流经单分子结的热流，发现某些分子路径可能导致相消干涉——声子振动相互冲突从而减少热流。

崔教授实验室的博士生、该研究的第一作者赛伊·耶利沙拉表示，利用他们新颖的扫描热探针进行的这项研究，首次在室温下观察到了声子的相消干涉现象。

换句话说，该团队解锁了在构成所有物质的基本单元——分子尺度上操控热流的能力。

“假设你有两股海浪在海洋中相向运动。海浪最终会相互撞击并在中间产生扰动，”耶利沙拉说。“这被称为相消干涉，这就是我们在实验中观察到的现象。理解这一现象可以帮助我们在极其微小且前所未有的尺度上抑制热传输，从而提升材料性能。”

微小分子，巨大潜力

打造世界上最灵敏的“耳朵”来测量和记录前所未见的声子行为是一回事。但这些微小的振动究竟能做什么呢？

“这只是分子声子学的开端，”耶利沙拉说。“新时代的材料和电子设备在散热方面存在诸多问题。我们的研究将帮助我们研究分子的化学性质、物理行为及热管理，从而解决这些问题。”

以聚合物等有机材料为例。其低热导率和对温度变化的敏感性常常带来巨大风险，如过热和降解。

也许有一天，借助声子干涉研究，科学家和工程师可以开发出一种新的分子设计。这种设计能将聚合物转变为类金属材料，利用相长相干声子振动来增强热传输。

该技术甚至可以在热电（即利用热量发电）等领域发挥重要作用。在该领域减少热流和抑制热传输可以提高热电设备的效率，为清洁能源利用铺平道路。

该团队表示，这项研究对他们来说也仅仅是冰山一角。他们未来的项目以及与科罗拉多大学博尔德分校化学家的合作将以此现象为基础，利用这项新技术探索分子尺度上的其他声子特性。

“声子几乎存在于所有材料中，”耶利沙拉说。“因此，我们可以利用超灵敏探针，在最小可能的层面上引导任何天然和人造材料的进步。”