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  有效控制熱流是聲子學的關鍵課題之一。類似于電二極管，我們希望發現適用于熱二極管的材料。熱整流指的是正反方向熱導不同的現象。 納米材料的熱整流吸引了廣泛關注。 一個重要的原因是，納米材料的熱整流可以被應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分子動力學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。他們發現反方向的熱流大于正方向，這一現象與以前報道的結果均相反。他們進行了一系列進一步計算解釋這個現象。他們發現從窄端到寬端無序性逐漸增強，從而導致了熱導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系。結果發現，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， 正負方向熱導率與單個聚合物分子長度的關系。

  通過檢查熱導率在正負兩個方向隨長度的變化關系，發現在正方向的熱導率不隨長度而變化反方向的熱導率隨長度的而變大（圖三）。這就分別對應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超高熱整流并揭示了熱傳導機理隨著熱流方向改變而不同 。

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

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