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  有效控制熱流是聲子學(xué)的關(guān)鍵課題之一。類(lèi)似于電二極管，我們希望發(fā)現(xiàn)適用于熱二極管的材料。熱整流指的是正反方向熱導(dǎo)不同的現(xiàn)象。 納米材料的熱整流吸引了廣泛關(guān)注。 一個(gè)重要的原因是，納米材料的熱整流可以被應(yīng)用到微電子裝置的熱處理中。之前的研究都更多集中在無(wú)機(jī)物，田芝婷教授團(tuán)隊(duì)首次利用單個(gè)非對(duì)稱(chēng)聚合物分子實(shí)現(xiàn)了超高熱整流。

圖一， 單個(gè)聚合物分子熱整流裝置。

  田芝婷教授團(tuán)隊(duì)使用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法計(jì)算單個(gè)聚合物分子正反兩個(gè)方向的熱流，進(jìn)而得到熱整流率，如圖一所示。他們發(fā)現(xiàn)反方向的熱流大于正方向，這一現(xiàn)象與以前報(bào)道的結(jié)果均相反。他們進(jìn)行了一系列進(jìn)一步計(jì)算解釋這個(gè)現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)從窄端到寬端無(wú)序性逐漸增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了熱導(dǎo)率隨著溫度和位置而改變。

圖二， 熱整流率與點(diǎn)個(gè)分子長(zhǎng)度的關(guān)系圖。

  為了理解背后的機(jī)理，他們計(jì)算了熱整流率與聚合物分子長(zhǎng)度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著聚合物分子長(zhǎng)度的增大，熱整流率增加最終可以高達(dá)70%（圖二）。

圖三， 正負(fù)方向熱導(dǎo)率與單個(gè)聚合物分子長(zhǎng)度的關(guān)系。

  通過(guò)檢查熱導(dǎo)率在正負(fù)兩個(gè)方向隨長(zhǎng)度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在正方向的熱導(dǎo)率不隨長(zhǎng)度而變化反方向的熱導(dǎo)率隨長(zhǎng)度的而變大（圖三）。這就分別對(duì)應(yīng)了正方向熱流以擴(kuò)散的方式傳播和反方向以彈道方式傳播。這是首次在單個(gè)納米高分子上實(shí)現(xiàn)超高熱整流并揭示了熱傳導(dǎo)機(jī)理隨著熱流方向改變而不同 。

  以上成果發(fā)表在納米快報(bào)（Nano Letters 18 (1), 43–48）上。論文第一作者是弗吉尼亞理工大學(xué)的博士生馬浩，通訊作者是田芝婷教授。該課題組網(wǎng)頁(yè)鏈接：https://ztgroup.org/

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b02867