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- 微小的熱傳感器展示分子如何像音樂(lè)一樣減弱熱量
- 來(lái)源：美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校 發(fā)表于 2025/5/12
用于單分子熱測(cè)量的雙尖端氮化鈮掃描熱顯微鏡（SThM）探針。a. 雙尖端掃描熱顯微鏡探針的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（側(cè)視圖），在兩個(gè)幾何形狀相同的梁上有氮化鈮溫度計(jì)，并配有用于電流測(cè)量的鉻 / 金金屬化層和金電極線。b. 探針的掃描電子顯微鏡圖像（俯視圖），顯示了雙尖端的接近程度（在 z 方向上偏移 20 微米）。插圖：鍍金尖端的末端。c. 用于量化單分子結(jié)熱導(dǎo)率的測(cè)量方案示意圖，單分子結(jié)被困在金樣品和雙尖端探針的較長(zhǎng)尖端之間。使用全惠斯通電橋電路來(lái)測(cè)量由通過(guò)分子結(jié)的熱流引起的兩個(gè)尖端之間的溫差。一個(gè)熱阻網(wǎng)絡(luò)展示了從探針到散熱器的熱流（Q）路徑。這里 Rth,SMJ=1/Gth,SMJ，Rrad 是與環(huán)境的輻射熱阻。圖片來(lái)源：《自然材料》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w
想象一下你正在彈吉他 —— 每一次撥動(dòng)琴弦都會(huì)產(chǎn)生聲波，這些聲波會(huì)振動(dòng)并與其他波相互作用。現(xiàn)在，把這個(gè)概念縮小到一個(gè)微小的單分子層面，并且不是聲波，而是想象攜帶熱量的振動(dòng)。
科羅拉多大學(xué)博爾德分校保羅・M・雷迪機(jī)械工程系的一組工程師和材料科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，這些微小的熱振動(dòng)，也就是所謂的聲子，能夠像音符一樣相互干擾 —— 它們要么相互放大，要么相互抵消，這取決于分子是如何 “串連” 在一起的。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然材料》雜志上。
聲子干涉是一種在室溫下從未在分子尺度上被測(cè)量或觀察到的現(xiàn)象。但這個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，能夠揭示這些微小的振動(dòng)秘密。
這項(xiàng)研究由崔龍吉助理教授及其團(tuán)隊(duì)在崔氏研究小組中領(lǐng)導(dǎo)。他們的工作涉及與來(lái)自西班牙（馬德里材料科學(xué)研究所，馬德里自治大學(xué)）、意大利（有機(jī)金屬化合物化學(xué)研究所）以及科羅拉多大學(xué)博爾德分�；瘜W(xué)系的研究人員合作。
該團(tuán)隊(duì)表示，他們的發(fā)現(xiàn)將幫助世界各地的研究人員更好地理解聲子的物理行為，聲子是所有絕緣材料中的主要能量載體。他們相信，有朝一日，這一發(fā)現(xiàn)可以徹底改變未來(lái)電子學(xué)和材料中散熱的管理方式。
“干涉是一種基本現(xiàn)象，” 崔龍吉說(shuō)道，他同時(shí)隸屬于材料科學(xué)與工程項(xiàng)目以及量子材料實(shí)驗(yàn)中心�！叭绻阌心芰υ谧钚〉膶用嫔侠斫鉄崃鞯母缮�，你就可以制造出以前不可能制造的設(shè)備�！�
世界上最靈敏的 “耳朵”
崔龍吉說(shuō)，分子聲子學(xué)，也就是對(duì)分子中聲子的研究，作為一個(gè)主要的理論討論已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。但是，你需要非常靈敏的 “耳朵” 才能直接 “聽(tīng)到” 這些分子的 “旋律” 和振動(dòng)，而此前這種技術(shù)根本不存在。
直到崔龍吉和他的團(tuán)隊(duì)介入。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種比沙粒甚至木屑顆粒還小的熱傳感器。這個(gè)小探針很特別：它具有破紀(jì)錄的分辨率，使他們能夠抓住一個(gè)分子，并在盡可能小的層面上測(cè)量聲子振動(dòng)。
利用這些專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的微型熱傳感器，該團(tuán)隊(duì)研究了通過(guò)單分子結(jié)的熱流，發(fā)現(xiàn)某些分子路徑會(huì)導(dǎo)致相消干涉 —— 聲子振動(dòng)的沖突會(huì)減少熱流。
賽耶利沙拉（Sai Yelishala）是崔龍吉實(shí)驗(yàn)室的一名博士生，也是這項(xiàng)研究的主要作者，他說(shuō)，使用他們新穎的掃描熱探針進(jìn)行的這項(xiàng)研究首次在室溫下觀察到了相消聲子干涉。
換句話說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了在所有材料誕生的尺度 —— 分子尺度上管理熱流的能力。
“比如說(shuō)，在海洋中有兩波水相互移動(dòng)。這些波最終會(huì)相互碰撞，并在它們之間產(chǎn)生干擾，” 耶利沙拉說(shuō)�！斑@就叫做相消干涉，這就是我們?cè)谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。理解這一現(xiàn)象可以幫助我們抑制熱傳輸，并在極小且前所未有的尺度上提高材料的性能�！�
微小分子，巨大潛力
開(kāi)發(fā)出世界上最靈敏的 “耳朵” 來(lái)測(cè)量和記錄以前從未見(jiàn)過(guò)的聲子行為是一回事。但這些微小的振動(dòng)究竟能做些什么呢？
“這只是分子聲子學(xué)的開(kāi)始，” 耶利沙拉說(shuō)�！霸谏岱矫�，新時(shí)代的材料和電子產(chǎn)品存在很多問(wèn)題。我們的研究將幫助我們研究分子的化學(xué)性質(zhì)、物理行為和熱管理，從而解決這些問(wèn)題。”
以一種有機(jī)材料，比如聚合物為例。它的低熱導(dǎo)率和對(duì)溫度變化的敏感性常常帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)，比如過(guò)熱和降解。
也許有一天，在聲子干涉研究的幫助下，科學(xué)家和工程師可以開(kāi)發(fā)出一種新的分子設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)可以將聚合物變成一種類(lèi)似金屬的材料，能夠利用相長(zhǎng)聲子振動(dòng)來(lái)增強(qiáng)熱傳輸。
這項(xiàng)技術(shù)甚至可以在熱電學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，熱電學(xué)也就是利用熱量發(fā)電。在這個(gè)學(xué)科中，減少熱流并抑制熱傳輸可以提高熱電器件的效率，并為清潔能源的使用鋪平道路。
該團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究對(duì)他們來(lái)說(shuō)也只是冰山一角。他們接下來(lái)的項(xiàng)目以及與科羅拉多大學(xué)博爾德分�；瘜W(xué)家的合作將進(jìn)一步拓展這一現(xiàn)象，并利用這種新穎的技術(shù)探索分子尺度上的其他聲子特性。
“聲子幾乎存在于所有材料中，” 耶利沙拉說(shuō)�！耙虼耍覀兛梢允褂梦覀兊某`敏探針在盡可能小的層面上推動(dòng)天然和人造材料的發(fā)展。”
更多信息：賽耶利沙拉等人，《單分子結(jié)中的聲子干涉》，《自然材料》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w
期刊信息：《自然材料》
由美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校提供
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