有效控制熱流是聲子學(xué)的關(guān)鍵課題之一。類似于電二極管，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機物，田芝婷教授團隊首次利用單個非對稱聚合物分子實現(xiàn)了超高熱整流。
圖一， 單個聚合物分子熱整流裝置。
田芝婷教授團隊使用非平衡態(tài)分子動力學(xué)模擬的方法計算單個聚合物分子正反兩個方向的熱流，進而得到熱整流率，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)象與以前報道的結(jié)果均相反。他們進行了一系列進一步計算解釋這個現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)從窄端到寬端無序性逐漸增強，從而導(dǎo)致了熱導(dǎo)率隨著溫度和位置而改變。
圖二， 熱整流率與點個分子長度的關(guān)系圖。
為了理解背后的機理，他們計算了熱整流率與聚合物分子長度的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著聚合物分子長度的增大，熱整流率增加最終可以高達70%（圖二）。
圖三， 正負方向熱導(dǎo)率與單個聚合物分子長度的關(guān)系。
通過檢查熱導(dǎo)率在正負兩個方向隨長度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在正方向的熱導(dǎo)率不隨長度而變化反方向的熱導(dǎo)率隨長度的而變大（圖三）。這就分別對應(yīng)了正方向熱流以擴散的方式傳播和反方向以彈道方式傳播。這是首次在單個納米高分子上實現(xiàn)超高熱整流并揭示了熱傳導(dǎo)機理隨著熱流方向改變而不同 。
以上成果發(fā)表在納米快報（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)頁鏈接：https://ztgroup.org/
論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b02867
