传导和热辐射是热量从一个物体传递到另一个物体的两种方式：传导是热量在彼此接触的物体之间流动的过程，例如放在热炉灶上的一壶茶；热辐射则描述热量跨越很远距离的流动，例如太阳发出的热量。
这两种基本的热传递过程解释了能量如何跨越微观和宏观距离移动。但研究人员一直难以确定热量如何跨越中间尺度的间隙流动。
如今，麻省理工学院、俄克拉荷马大学和罗格斯大学的研究人员开发出一种模型，解释热量如何在间距小于一纳米的物体之间流动。研究团队建立了一个统一框架，用于计算有限间隙中的热传输，并表明亚纳米距离上的热流动并非通过辐射或传导，而是通过“声子隧穿”实现。
声子代表晶格中振动原子产生的能量单位。例如，一块食盐单晶含有钠原子和氯原子，它们按晶格图案排列。原子共同振动，产生能够在晶格中传输热量的机械波。
通常，这些波，也就是声子，只能在材料内部传递热量，而不能在材料之间传热。然而，这项新研究表明，声子能够跨越小至一纳米的间隙，从一种材料“隧穿”到另一种材料，从而增强热传输。
研究人员认为，声子隧穿解释了这一尺度下能量传输的物理机制，而这种机制无法明确归因于传导或辐射。
“这正处于传导和辐射这两种说法变得模糊的范围内，”麻省理工学院机械工程专业研究生瓦兹里克·奇洛扬说。“我们正试图清晰地描绘这一范围内的物理机制。现在，我们汇集了相关信息，证明隧穿实际上就是热传递图景中正在发生的事情。”
奇洛扬与卡尔·理查德·索德伯格电力工程教授、麻省理工学院机械工程系主任陈刚于本周在 《Nature Communications》
厘清热传递图景
过去几十年来，研究人员一直试图界定热量如何跨越越来越小的距离传输。包括陈的团队在内的多个研究团队，已通过实验测量了热辐射在小至数十纳米的间隙中的热流动。然而，随着实验将间距缩小到更小尺度，研究人员开始质疑现有理论是否有效：现有模型在很大程度上基于热辐射理论，奇洛扬说，这些理论“模糊了原子层面的细节”，过度简化了热量从一个原子传递到另一个原子的过程。
相比之下，存在一种用于描述热传导的理论——即格林函数——它描述了接触材料在原子层面的热流动。该理论使研究人员能够计算可穿过两种材料界面的振动频率。
“但使用格林函数时，原子间相互作用往往在经过几个邻近原子后就会衰减……这样一来，你会人为地预测原子间隔几个原子后热传递就变为零，”奇洛扬说。“要真正预测热量如何跨越间隙传递，就必须纳入长程电磁力。”
通常，电磁力可以用麦克斯韦方程组来描述——这是一组阐明电和磁行为的四个基本方程。然而，为了解释微观尺度上的热传递，奇洛扬和陈必须找出一种鲜为人知的形式，即微观麦克斯韦方程。
“大多数人可能不知道还存在微观麦克斯韦方程，而我们必须深入到这一层面，才能衔接原子图景，”陈说。
跨越间隙
研究团队基于格林函数和微观麦克斯韦方程，开发出一种热传输模型。研究人员使用该模型预测氯化钠（即食盐）的两个晶格之间的热流动，这两个晶格相隔一纳米宽的间隙。
借助这一模型，奇洛扬和陈能够根据每个原子在晶格中的位置和受力，计算并汇总各个原子发出的电磁场。尽管原子振动（即声子）通常无法跨越大于几个原子的距离传递热量，但研究团队发现，原子电磁力的总和能够形成一座“桥梁”，让声子穿越间隙。
在对两个氯化钠晶格之间的热流动进行建模时，研究人员发现，当间隙为一纳米及更小时，热量会通过声子隧穿从一个晶格流向另一个晶格。
陈说，亚纳米间隙“处于一个我们缺乏恰当说法的范围内”。“现在，我们建立了一个框架来解释这一基本转变，跨越了这一间隙。”
“在每一本关于热传递的教材中，本科生都会学到热传递有三种不同类型：对流、传导或辐射。这是许多已确立的定律之一，但它们未必适用于纳米尺度，”未参与这项研究的巴黎-萨克雷大学物理学教授让-雅克·格雷费说。“[该团队的]发现澄清了我们对这些物理过程的认识，[并]为两种紧密接触材料之间的接触电阻问题带来了新认识。这一问题对许多应用都具有实际重要性。”
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。文章的发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：詹妮弗·楚是麻省理工学院新闻的特邀撰稿人。
图片：这幅插图描绘了声子从一个氯化钠晶格“隧穿”到另一个晶格。插图：Jose-Luis Olivares/麻省理工学院。
