弗吉尼亚理工大学田芝婷教授课题组单个非对称聚合物分子实现超高热整流

有效控制热流是声子学的关键课题之一。类似于电二极管，我们希望发现适用于热二极管的材料。热整流指的是正反方向热导不同的现象。纳米材料的热整流吸引了广泛关注。 一个重要的原因是，纳米材料的热整流可以被应用到微电子装置的热处理中。之前的研究都更多集中在无机物，弗吉尼亚理工大学田芝婷教授团队首次利用单个非对称聚合物分子实现了超高热整流。

图一， 单个聚合物分子热整流装置。

田芝婷教授团队使用非平衡态分子动力学模拟的方法计算单个聚合物分子正反两个方向的热流，进而得到热整流率，如图一所示。他们发现反方向的热流大于正方向，这一现象与以前报道的结果均相反。他们进行了一系列进一步计算解释这个现象。他们发现从窄端到宽端无序性逐渐增强，从而导致了热导率随着温度和位置而改变。

图二， 热整流率与点个分子长度的关系图。

为了理解背后的机理，他们计算了热整流率与聚合物分子长度的关系。结果发现，随着聚合物分子长度的增大，热整流率增加最终可以高达70%（图二）。

图三， 正负方向热导率与单个聚合物分子长度的关系。

通过检查热导率在正负两个方向随长度的变化关系，发现在正方向的热导率不随长度而变化反方向的热导率随长度的而变大（图三）。这就分别对应了正方向热流以扩散的方式传播和反方向以弹道方式传播。这是首次在单个纳米高分子上实现超高热整流并揭示了热传导机理随着热流方向改变而不同 。

以上成果发表在纳米快报（Nano Letters 18 (1), 43–48）上。论文第一作者是弗吉尼亚理工大学的博士生马浩，通讯作者是田芝婷教授。该课题组网页链接：https://ztgroup.org/

论文链接：

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

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