究人員開(kāi)發(fā)了一種新穎的微觀理論，可以用非常普遍的方式描述熱傳輸，同樣適用于有序或無(wú)序的材料，如晶體或玻璃，以及介于兩者之間的任何東西。

這不僅是一個(gè)重要的第一個(gè)問(wèn)題（迄今為止還沒(méi)有一個(gè)輸運(yùn)方程能夠同時(shí)解釋這兩種體系）而且令人驚訝的是，它還表明，熱可以通過(guò)機(jī)械方式隧道量子，而不是像原子振動(dòng)那樣擴(kuò)散出去。新方程還首次對(duì)熱電材料的性能進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。這種材料具有超低、玻璃般的導(dǎo)熱性，在能源研究中受到高度重視。

它們可以把熱量轉(zhuǎn)化成電能，或者不需要泵和有害環(huán)境的氣體就可以用電來(lái)冷卻。晶體和玻璃傳熱的方式根本不同，晶體中原子的規(guī)則排列意味著熱量是通過(guò)振動(dòng)波的傳播來(lái)傳遞——例如，在計(jì)算機(jī)的硅芯片中就發(fā)生了這種情況。在原子尺度上無(wú)序排列的玻璃中，通過(guò)隨機(jī)的振動(dòng)跳躍，熱量的傳遞要慢得多。20世紀(jì)物理學(xué)家魯?shù)婪颉づ鍫査?Rudolf Peierls)為描述傳熱奠定了基礎(chǔ)，他將玻爾茲曼(Boltzmann)最新的輸運(yùn)理論應(yīng)用于晶體，并推導(dǎo)出著名的聲子輸運(yùn)方程——自那以后，它一直是微觀傳熱理論的中堅(jiān)力量。

幾十年后，在分子動(dòng)力學(xué)模擬領(lǐng)域迅速發(fā)展的支持下，菲利普?艾倫(Philip Allen)和約瑟夫?費(fèi)爾德曼(Joseph Feldman)提出了一個(gè)適用于眼鏡的方程式?，F(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)找到了如何推導(dǎo)出一個(gè)更通用的公式，可以很好地描述這兩種材料，以及介于這兩種材料之間的所有東西。EPFL博士生米歇爾·西蒙塞利(Michele Simoncelli)和材料研究所(Institute of Materials)教授尼古拉·馬爾扎里(Nicola Marzari)，以及羅馬大學(xué)的同事弗朗西斯科·毛里(Francesco Mauri)在《自然物理》(Nature Physics)上發(fā)表研究論文。

在研究論文中，他們從耗散量子系統(tǒng)的一般理論中推導(dǎo)出了微觀方程。原來(lái)佩爾斯拋棄了熱傳導(dǎo)中的一個(gè)關(guān)鍵成分，在熱傳導(dǎo)中，振動(dòng)激振可以像量子一樣從一種狀態(tài)隧穿到另一種狀態(tài)。雖然這種隧穿作用在完美晶體中可以忽略不計(jì)，但當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)變得無(wú)序時(shí)，它們變得更加相關(guān)，而在玻璃中，它們產(chǎn)生了艾倫-費(fèi)爾德曼形式主義。但這個(gè)新方程更為普遍，可以以同樣的精度應(yīng)用于任何材料，包括所有已知振動(dòng)激勵(lì)的出現(xiàn)和共存。至關(guān)重要的是，這種新熱傳導(dǎo)理論涵蓋了晶體狀和玻璃狀的材料。

這些材料具有重要的技術(shù)重要性，因?yàn)樗鼈兛梢允欠浅：玫臒犭姴牧?，也就是說(shuō)，可以將熱轉(zhuǎn)化為電，或?qū)㈦娹D(zhuǎn)化為冷卻。熱電材料在能源應(yīng)用中具有重要意義，因?yàn)樗鼈兝霉I(yè)過(guò)程、汽車(chē)和卡車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)或太陽(yáng)的可用熱量發(fā)電。擁有更高效的熱電材料(大約是目前標(biāo)準(zhǔn)的三倍)將徹底改變我們所有的制冷和空調(diào)技術(shù)，因?yàn)闊犭姴牧峡梢苑催^(guò)來(lái)利用電力來(lái)制冷，而不是利用熱能發(fā)電。值得注意的是，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在冰箱上工作了8年。

在愛(ài)因斯坦智力的巔峰時(shí)期，他和他的學(xué)生里奧·西拉德一起為一臺(tái)沒(méi)有移動(dòng)部件的冰箱申請(qǐng)了專(zhuān)利，就像在熱電冰箱里一樣。然而，制造這樣的設(shè)備需要徹底了解熱量是如何傳導(dǎo)的，以及傳導(dǎo)到什么程度。到目前為止，理論和模型的成功有限。一個(gè)好的熱電需要是一個(gè)導(dǎo)電體，因此相當(dāng)結(jié)晶，但同時(shí)也是一個(gè)熱絕緣體，因此相當(dāng)透明，它需要能夠攜帶和冷凝一個(gè)設(shè)備的兩個(gè)不同的側(cè)面的正電荷和負(fù)電荷，創(chuàng)造一個(gè)電勢(shì)。

然而，根據(jù)現(xiàn)有的熱傳導(dǎo)方程，試圖將熱電體視為晶體或玻璃，將會(huì)導(dǎo)致非常大的誤差，因此很難預(yù)測(cè)它們的效率。論文中概述的新理論，以及對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)更準(zhǔn)確的估計(jì)，以及對(duì)電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)，將使科學(xué)家們能夠計(jì)算熱電學(xué)的“價(jià)值圖”，并對(duì)它們的效率作出估計(jì)。有了這一關(guān)鍵信息，研究人員將能夠利用計(jì)算技術(shù)首先篩選潛在材料，加快這些新技術(shù)的發(fā)展道路。

博科園｜研究/來(lái)自：國(guó)家研究能力中心（NCCR）MARVEL

參考期刊《自然物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-019-0520-x

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普