新发现揭示分子如何类似音乐原理抑制热量传递

现在把这个概念缩小到一个微小的单分子尺度，并且想象传递热量的不是声波，而是振动。

科罗拉多大学波德分校保罗·M·雷迪机械工程系的一组工程师和材料科学家最近发现，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“串连”方式，它们可以相互放大或抵消。

声子干扰是此前从未在室温下的分子尺度上被测量或观察到的现象。但该团队开发了一项新技术，能够揭示这些微小的振动秘密。

这项突破性研究由崔龙吉（Longji Cui）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）以及科罗拉多大学波德分校化学系的科研人员合作完成，研究成果近期发表于《自然·材料》期刊。

该团队表示，他们的发现将帮助全球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，这一发现将彻底改变未来电子设备和材料中的热管理方式。

“干扰是一种基本现象，”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。“如果你有能力在最微小层面理解热流的干扰，你就能创造出前所未有的设备。”

世界上最强大的“耳朵”

崔教授表示，分子声子学（即分子中声子的研究）作为一种理论探讨已存在相当长的时间。但你需要非常强大的“耳朵”才能“亲耳聆听”这些分子旋律和振动，而相关技术此前根本不存在。

直到崔教授和他的团队介入才得以改变。

该团队设计了一个比沙粒甚至锯屑颗粒还小的热传感器。这个小探针很特别：它具有破纪录的分辨率，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。

使用这些特制的微型热传感器，团队研究了通过单分子结的热流，并发现某些分子通路会导致相消干涉——即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·耶利沙拉（Sai Yelishala）表示，利用他们新颖的扫描热探针进行的这项研究，首次在室温下观测到了声子的相消干涉。

换句话说，该团队解锁了在最基础的材料诞生尺度——分子尺度上管理热流的能力。

“想象海洋中有两股水波相互靠近。波浪最终会撞击在一起，并在中间产生扰动，”耶利沙拉说。“这被称为相消干涉，也是我们在本次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并增强材料性能。”

微小分子，巨大潜力

开发世界上最强大的“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？

“这只是分子声子学的开端，”耶利沙拉说。“新时代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探索分子的化学特性、物理行为及热管理，从而解决这些问题。”

以有机材料（如聚合物）为例。其低导热率和对温度变化的敏感性通常会带来很大风险，例如过热和降解。

也许有一天，借助声子干扰研究，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，利用相干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。在该领域减少热流和抑制热传输可以提高热电设备的效率，并为清洁能源利用铺平道路。

该团队表示，这项研究对他们而言也仅是冰山一角。他们未来的项目以及与科罗拉多大学波德分校化学家的合作将基于这一现象展开，并利用这项新技术在分子尺度上探索其他声子特性。

“声子几乎在所有材料中传播，”耶利沙拉说。“因此，我们可以利用超灵敏探针在最微小层面上引导任何天然和人造材料的进步。”