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    可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

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      🌾袁隆平
      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      究人员开发了一种新颖的微观理论,可以用非常普遍的方式描述热传输,同样适用于有序或无序的材料,如晶体或玻璃,以及介于两者之间的任何东西。这不仅是一个重要的第一个问题(迄今为止还没有一个输运方程能够同时解释这两种体系)而且令人惊讶的是,它还表明,热可以通过机械方式隧道量子,而不是像原子振动那样扩散出去。新方程还首次对热电材料的性能进行了准确预测。这种材料具有超低、玻璃般的导热性,在能源研究中受到高度重视。

      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      它们可以把热量转化成电能,或者不需要泵和有害环境的气体就可以用电来冷却。晶体和玻璃传热的方式根本不同,晶体中原子的规则排列意味着热量是通过振动波的传播来传递——例如,在计算机的硅芯片中就发生了这种情况。在原子尺度上无序排列的玻璃中,通过随机的振动跳跃,热量的传递要慢得多。20世纪物理学家鲁道夫·佩尔斯(Rudolf Peierls)为描述传热奠定了基础,他将玻尔兹曼(Boltzmann)最新的输运理论应用于晶体,并推导出著名的声子输运方程——自那以后,它一直是微观传热理论的中坚力量。

      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      几十年后,在分子动力学模拟领域迅速发展的支持下,菲利普•艾伦(Philip Allen)和约瑟夫•费尔德曼(Joseph Feldman)提出了一个适用于眼镜的方程式。现在科学家们已经找到了如何推导出一个更通用的公式,可以很好地描述这两种材料,以及介于这两种材料之间的所有东西。EPFL博士生米歇尔·西蒙塞利(Michele Simoncelli)和材料研究所(Institute of Materials)教授尼古拉·马尔扎里(Nicola Marzari),以及罗马大学的同事弗朗西斯科·毛里(Francesco Mauri)在《自然物理》(Nature Physics)上发表研究论文。

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      • (博科园-图示)热传导来源于声子波包颗粒状扩散(CsPbBr3)的真实三维声子色散后的模糊球体)和波状隧穿(蓝色波)。当声子分支之间的间隔(洛伦兹形状的脊线,其高度可以量化所携带的热量)与它们的线宽(与脊线的宽度成正比)相当时,隧道就出现了。图片:Michele Simoncelli, EPFL

      在研究论文中,他们从耗散量子系统的一般理论中推导出了微观方程。原来佩尔斯抛弃了热传导中的一个关键成分,在热传导中,振动激振可以像量子一样从一种状态隧穿到另一种状态。虽然这种隧穿作用在完美晶体中可以忽略不计,但当一个系统变得无序时,它们变得更加相关,而在玻璃中,它们产生了艾伦-费尔德曼形式主义。但这个新方程更为普遍,可以以同样的精度应用于任何材料,包括所有已知振动激励的出现和共存。至关重要的是,这种新热传导理论涵盖了晶体状和玻璃状的材料。

      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      这些材料具有重要的技术重要性,因为它们可以是非常好的热电材料,也就是说,可以将热转化为电,或将电转化为冷却。热电材料在能源应用中具有重要意义,因为它们利用工业过程、汽车和卡车发动机或太阳的可用热量发电。拥有更高效的热电材料(大约是目前标准的三倍)将彻底改变我们所有的制冷和空调技术,因为热电材料可以反过来利用电力来制冷,而不是利用热能发电。值得注意的是,阿尔伯特·爱因斯坦在冰箱上工作了8年。

      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      在爱因斯坦智力的巅峰时期,他和他的学生里奥·西拉德一起为一台没有移动部件的冰箱申请了专利,就像在热电冰箱里一样。然而,制造这样的设备需要彻底了解热量是如何传导的,以及传导到什么程度。到目前为止,理论和模型的成功有限。一个好的热电需要是一个导电体,因此相当结晶,但同时也是一个热绝缘体,因此相当透明,它需要能够携带和冷凝一个设备的两个不同的侧面的正电荷和负电荷,创造一个电势。

      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      然而,根据现有的热传导方程,试图将热电体视为晶体或玻璃,将会导致非常大的误差,因此很难预测它们的效率。论文中概述的新理论,以及对导热系数更准确的估计,以及对电导率的数据,将使科学家们能够计算热电学的“价值图”,并对它们的效率作出估计。有了这一关键信息,研究人员将能够利用计算技术首先筛选潜在材料,加快这些新技术的发展道路。

      可行吗?引入新的热传导理论,以寻求高效热电材料!

      博科园|研究/来自:国家研究能力中心(NCCR)MARVEL

      参考期刊《自然物理学》

      DOI: 10.1038/s41567-019-0520-x

      博科园|科学、科技、科研、科普

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