新发现揭示分子如何像音乐般抑制热能

现在，将这个构想缩小到一个微小的单分子尺度，并且想象一下，携带热量的不是声波，而是振动。

科罗拉多大学博尔德分校保罗·M·雷迪机械工程系的一支工程师和材料科学家团队最近发现，这些微小的热振动，也被称为声子，可以像音符一样相互干扰——根据分子是如何“串联”在一起的，它们要么相互放大，要么相互抵消。

声子干涉现象在室温下的分子尺度上从未被测量或观察到过。但这个团队开发了一种新技术，能够揭示这些微小的振动秘密。

这项突破性研究由助理教授崔龙吉（Longji Cui）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，他们的发现将帮助世界各地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的主要能量载体。他们相信，有朝一日，这一发现可以彻底改变未来电子产品和材料中的热管理方式。

“干涉是一种基本现象，”崔龙吉说，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。“如果你有能力在最微观的层面理解热流的干涉，就能创造出以前不可能实现的器件。”

世界上最灵敏的“耳朵”

崔龙吉表示，分子声子学，即对分子中声子的研究，作为主要理论探讨已存在相当长一段时间。但你需要非常灵敏的“耳朵”才能“聆听”这些分子的旋律和振动，而这种技术以前根本不存在。

直到崔龙吉和他的团队介入。

该团队设计了一个比沙粒甚至锯末颗粒还小的热传感器。这个小小的探头很特别：它拥有破纪录的分辨率，使他们能够捕获单个分子并在尽可能小的尺度上测量声子振动。

利用这些专门设计的微型热传感器，团队研究了流经单个分子结的热流，发现某些分子路径会导致相消干涉——声子振动相互冲突从而减少热流。

崔龙吉实验室的博士生、该研究的第一作者萨伊·耶利沙拉（Sai Yelishala）表示，这项使用他们新型扫描热探针的研究，代表了首次在室温下观察到相消声子干涉。

换句话说，该团队解锁了在所有材料诞生的尺度——分子尺度——上管理热流的能力。

“假设海洋中有两股水波相互靠近移动。波浪最终会相互碰撞并在其间产生扰动，”耶利沙拉说。“这就叫相消干涉，也是我们在实验中观察到的现象。理解这一现象有助于我们在极其微小且前所未有的尺度上抑制热传输，从而提高材料性能。”

微小分子，巨大潜力

开发世界上最灵敏的“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一长串问题。我们的研究将帮助我们研究分子的化学性质、物理行为和热管理，以便解决这些问题。”

以聚合物等有机材料为例。其低导热性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，科学家和工程师能够开发出一种新的分子设计。这种设计可以将聚合物转变为类金属材料，利用相长声子振动来增强热传输。

该技术甚至可以在热电领域（即利用热量发电）发挥重要作用。在这一领域，减少热流和抑制热传输可以提高热电设备的效率，为清洁能源的使用铺平道路。

该团队表示，这项研究对他们来说也仅仅是冰山一角。他们接下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基于这一现象展开，并运用这种新技术在分子尺度上探索其他声子特性。

“声子实际上存在于所有材料中传播，”耶利沙拉说。“因此，我们可以使用超灵敏探针，在尽可能小的尺度上引导任何天然和人造材料的进步。”