新研究揭示了模糊和矛盾的传热行为

加州大学洛杉矶分校的研究人员和他们的同事发现了一个新的物理原理来控制热量如何通过材料传递，这一发现与传统观点相矛盾，即热量总是随着压力的增加而移动得更快。

到目前为止，在涉及气体、液体和固体等不同材料的记录观察和科学实验中，普遍的信念仍然成立。

研究人员在《自然》杂志上周发表的一项研究中详细介绍了他们的发现。他们发现，砷化硼已被视为热管理和先进电子产品的极具前景的材料，它还具有独特的特性。在达到比海底压力大数百倍的极高压力后，砷化硼的热导率实际上开始下降。

结果表明，可能还有其他材料在极端条件下经历同样的现象。这一进步还可能导致新型材料可以开发用于具有内置“压力窗口”的智能能源系统，以便系统仅在一定压力范围内开启，然后在达到最大压力点后自动关闭。

“这项基础研究发现表明，压力依赖性的一般规则在极端条件下开始失效，”研究负责人、加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院机械与航空航天工程副教授胡永杰说。“我们希望这项研究不仅可以为潜在地修正当前对热运动的理解提供基准，而且还可以影响对极端条件的既定模型预测，例如在无法直接测量的地球内部发现的极端条件。”

据胡说，研究突破还可能导致冲击波研究中使用的标准技术的重组。

类似于声波如何通过响铃传播，热量通过原子振动在大多数材料中传播。当压力将材料内部的原子挤压得更近时，它使热量能够更快地通过材料，逐个原子地移动，直到其结构分解或转变为另一相。

然而，砷化硼的情况并非如此。研究小组观察到，在极端压力下，热量开始移动得更慢，这表明随着压力的增加，热量通过结构振动的不同方式可能会造成干扰，类似于重叠的波浪相互抵消。这种干扰涉及教科书物理学无法解释的高阶相互作用。

结果还表明，矿物的导热系数在一定压力范围后可以达到最大值。“如果适用于行星内部，这可能表明存在内部‘热窗’的机制——行星内的一个内层，其热流机制不同于其下方和上方的热流机制，”合著者艾比·卡夫纳(AbbyKavner)说，他是一名加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学教授。“像这样的一层可能会在大行星的内部产生有趣的动态行为。”

为了实现用于传热演示的极高压力环境，研究人员在受控室内的两颗钻石之间放置并压缩了砷化硼晶体。然后，他们利用量子理论和几种先进的成像技术，包括超快光学和非弹性X射线散射测量，来观察和验证以前未知的现象。

来自胡教授课题组的机械工程研究生李随轩、秦子豪、吴欢和李曼是该研究的共同主要作者。其他作者包括劳伦斯伯克利国家实验室的Kavner、MartinKunz和阿贡国家实验室的AhmetAlatas。