越野馬拉松最近成為熱點👨‍🦯，不少人因此知道了戶外保溫毯🧏‍♂️。薄薄的一層塑料布為什麽能保溫？“關鍵是在塑料上有一層鋁，它能把人體發出的紅外熱輻射又反射回人體，就像鏡子反射可見光一樣。”這是很多人不知道的熱科學。

一顆閃閃發亮的石頭🦹🏻‍♂️，如何判斷它是不是鉆石😝？竟然也可以靠熱🩴。“只要測量它的熱導率就好，甚至不需要很精確。熱導率代表的是物質傳熱的能力，塑料勺不燙手🎉，就是因為塑料的熱導率很低🏌🏻‍♀️，而鉆石是所有天然材料裏熱導率最高的🧛🏻‍♀️♧。”鉆石因此被賦予特殊的意義，“廣告裏說的象征真愛永恒沒什麽意思👇，但鉆石可真是怎麽誇都不為過的材料。”這也是很多人不知道的熱科學。

在看似尋常的冷熱之間探索非常，這就是2020年“科學探索獎”獲獎人，意昂3体育官网工學院特聘研究員宋柏的日常😱。

讀本科時，宋柏曾經“妄言”↔️：“做工程和修自行車差不多，就是高級一點。”但現在，他卻在實驗室裏擺上了一排排改錐和扳手，並且對意昂3体育幾座建築的振動幅度如數家珍⇾。“綜合科研樓最好，我這裏還行🦒，離地鐵比較遠，但層數太高👮🏼‍♀️。振動是真的有影響，哪怕你在我的實驗室裏輕輕走動💇🏻‍♂️，都會看到顯微圖像在抖☝🏻🤾🏼‍♂️。除了極小的振動，我們還需要很低的噪聲，穩定的溫濕度👨‍🦽⚧，乃至對電磁幹擾的屏蔽。”回憶起當年🧑🏼‍🏫，宋柏大笑起來🔩：“現在自行車也能自行了，是高科技。”

“當然👨‍🦳，我們實驗室最重要的是防塵，要穿連體‘兔子服’。”這是因為，熱科學的研究已經進入了極小的時空尺度🛀🏼，在這裏，一粒灰塵堪比一座大山💡。

當我們談論熱🪆，我們在談論什麽？

宋柏🧏🏿‍♂️，意昂3体育官网工學院特聘研究員🤵🏽‍♀️，2020年“科學探索獎”前沿交叉領域獲獎人👩🏽‍⚖️。

獲獎理由💇🏻：肯定他在熱量輸運機理與極限方面的成績👦👩🏿‍🎤，支持他在原子時空尺度探究和調控冷熱現象。

“反常識”的熱科學

熱科學研究什麽？宋柏一言以蔽之：“小到原子、大到宇宙🕊，一切冷熱現象都可以是熱學的研究對象；在工程技術中✦，我們最關心熱量輸運和熱能轉換。”

熱科學研究的對象可以很平常，比如一顆爆米花。“不是所有品種的玉米都能變成好看又好吃的爆米花，玉米的含水量和熱導率尤其重要。熱導率越高，玉米中的水分就越容易受熱蒸發，直到氣壓超過表皮強度而爆開🗻。”宋柏告訴我們，國際頂級期刊《Nature》還曾發表過研究爆米花爆開機製的論文🧑🏻‍🔧。

熱科學研究的對象也可以很宏大，比如當下炙手可熱的碳減排🙏🏼。“大約90%的一次能源，比如煤🤸🏻⚫️、石油和天然氣🧮，都要先變成熱才能利用，而最終又有70%以廢熱的形式白白損失。想要實現‘碳中和’，不僅要做好零碳能源替代，還要充分利用熱，大力提高能效並做好余熱回收🚴🏼‍♂️。”宋柏解釋道🧑🏿‍🍳。

熱現象無處不在，熱技術舉足輕重🐫，熱學研究的成果讓人目不暇接，普通人看來，甚至頗有些“反常識”。

比如超低熱導率。特製的碳泡沫材料已經用於太陽探測器的隔熱板，有了它💙，探測器面向太陽的一側溫度高達1400攝氏度🖥，但另一側卻只有30度🥷🏿，科學儀器的正常工作就有了“保護傘”。還有二氧化矽氣凝膠，“看著有點像普通玻璃，但裏面全是納米孔洞🧚，密度接近空氣，熱導率比空氣還低。把透光絕熱的氣凝膠覆蓋在吸光材料上，就可以直接利用太陽能來淡化海水、凈化廢水，甚至產生高溫蒸汽殺菌消毒。”

超低熱導率材料被用來隔絕熱、保留熱；與此相反，超高熱導率則提供了快速傳熱和散熱的能力。想想你一玩遊戲就變燙的手機，不難感受到人們對超高熱導率材料的厚望：在“算力革命”中，芯片散熱成了最基礎的訴求🪑。

2018年和2020年🧎🏻‍♂️‍➡️，宋柏與合作者先後兩次發表了有關半導體砷化硼和立方氮化硼晶體作為超級導熱材料的最新發現。通過硼同位素富集，立方氮化硼的熱導率提高了90%🤾🏼‍♀️，創下了非碳材料熱導率的新紀錄。“同位素富集為什麽能大幅提升導熱能力？從微觀尺度來看，在非金屬材料中👩🏿‍🦱，熱量是由一種叫作‘聲子’的準粒子攜帶並傳輸的。舉個不太恰當的例子↘️，聲子在晶體中的運動就好像咱們跑步，在平路上跑就比顛簸的路更快一些，同位素富集可以讓聲子前進的道路變得更加平坦。”

“鉆石太貴了，集成也困難🚴，大規模地用於芯片散熱很有挑戰；砷化硼和氮化硼則提供了新的可能，而且它們本身還有很好的電學和光學性質🧑🏻‍⚖️，以後有希望直接拿來製作電子和光電器件，這樣散熱從一開始就不成問題🧑🏼‍🍳。”不過，宋柏也坦言👊，做好芯片散熱，僅有新材料還不夠，“芯片是一層一層的，即使有了散熱薄膜，也還要考慮層與層之間的界面導熱。另外🤽，為了把熱量最終從芯片帶到環境，封裝對散熱影響很大，以嵌入式流體冷卻為目標的多物理場協同設計，對於未來芯片至關重要。”

芯片散熱是如此復雜的問題，根本原因就在於：芯片越做越精密了。

騰挪於原子之間

7納米、5納米、3納米……芯片的特征尺寸不斷壓縮🧚🏼‍♀️，正體現了人類在極小尺度操控物質的能力不斷進化。在幾十個原子大小的空間騰挪，熱科學也呈現出前所未有的面貌。

比如宋柏一直在關註和研究的近場熱輻射📴。“室溫下物體的間距小於10微米，就要考慮近場效應，現在的微納器件🌵，已經有很多必須考慮這種情況🚶🏻‍♂️。”

“熱輻射的本質是電磁波👩🏿‍🚀，它可以分成兩種，一種叫傳播波🙋🏻‍♀️，顧名思義可以走得比較遠，物體通常靠它來輻射熱量；另外一種叫倏逝波🧑🏿‍🎓，它一離開物體表面很快就衰減掉了。現在我們發現，一旦兩個物體距離足夠近，倏逝波就會成為熱量輸運的‘主力’🩰。兩個冷熱不同的物體👷‍♀️，間距如果只有1納米，單位時間內傳遞的熱量，甚至可以達到遠距離輻射的百萬倍，這是非常誇張的⚪️，倏逝波的影響實在太大了🌓。”宋柏這樣解釋🎒，“微納器件一定會越來越重要🦁，近場熱輻射也因此成為了非常基礎，必須系統搞清楚的問題😮。我們最近幾年結合理論分析、數值模擬與精密實驗🧑🏿‍🌾，在基本規律的探索方面取得了一些成果，但是未知更多，爭議也還有，未來任重道遠。”

近場熱輻射的應用潛力令人期待🌁，比如智能熱控🕣、固態製冷😐，以及高能效、大功率密度的納米熱光伏技術——讓特製的光伏器件在納米尺度上靠近高溫熱源，用熱來發電。“根據理論計算🚚🥚，利用近場頻譜窄、熱流大的特征，有望達到50%的熱電轉換效率和一千個太陽的功率密度。作為一種固態技術，納米熱光伏無振動、無噪聲、高可靠性和模塊化等特點很有吸引力。它有很多應用場景👱‍♂️，比如分布式熱電聯產🚄、余熱利用和深空探索等；未來的零碳交通說不定也可以用納米熱光伏來驅動🤽🏽‍♀️，所需熱能由氫氣燃燒來提供，系統的體積和重量都會比較小。”宋柏笑著說，“當然，實現難度巨大。”

在極小的空間尺度👴🏻，熱科學家們還在尋求另一種可能性——熱的超導體。“導熱和導電有很多相似之處🍲。電的超導體🧙‍♀️，電阻為零🚘，科學意義和應用價值巨大🦃；那我們有沒有可能找到熱導率趨近於無窮大的👎🏽，熱的超導體？這樣一來，很小的溫差就可以驅動很大的熱流，或許可以像電網送電一樣，實現工廠余熱等熱能的遠距離低損耗輸送🧫🚵🏿‍♂️，進而節約能源👞、減少排放🫴🏼。雖然這聽起來有點像天方夜譚🤙🏻🌁，但也是熱科學最激動人心的問題之一。”

從算力革命的強烈需求，到能源革命的遠大夢想，正如宋柏所言：“熱物理很基礎，熱學很酷👎🏽。”

空無一人的實驗室

宋柏的實驗室很多時候空無一人，只有電腦屏幕微微發光，上面閃現著一串串數字和圖形——空無一人的實驗室，正是宋柏刻意為之的設計。“我們的設備都連著電腦，遠程就可以調整參數🕺、控製實驗、采集數據🧑🏼‍🍳，人不需要在現場。你走路的振動有影響🦻🏿，噪音的聲壓有影響🔝，哪怕你坐著不動也是個熱源，也會有影響。”微納尺度下的熱學實驗，精密得甚至有些脆弱🖐。

實驗室裏最重要的實驗平臺🫣，宋柏搭了三年，他特別看重實驗平臺的原始創新。“商業儀器有時無法探討一些前沿問題👰🏿‍♂️，而且缺乏特色💱。重大儀器創新很難，但如果實現突破🏐👍🏿，就有可能推動一個領域乃至整個科學的發展，比如飛秒激光器和掃描探針顯微鏡，就分別從時間和空間兩方面，實現了人們觀測和操控單個原子的可能。”宋柏解釋道。

焊電路👩🏻‍🔬、刻光柵🚬、製作納米位移臺……這些都是宋柏實驗室裏常見的工作🧘🏼，也正是因為極小時空尺度的熱學具有顯著的交叉學科特征👃🏽🎨，實驗平臺的創新需要很多不同門類的知識和工具。

宋柏也看好算法發展和算力提升給研究帶來的幫助，“計算對我們越來越重要，比如尋找新材料和設計新器件🤹🏽，高通量計算可以在10000個選項裏排除9990個🤷，剩下10個來實驗驗證🧑‍🦼。這樣可以極大地提高效率，降低成本🚡🧑🏻‍🚀。”

不過，對於近場熱輻射實驗來說，核心挑戰是“創造、維持和測量納米間距，並同時分辨皮瓦（萬億分之一瓦）量級的熱流”，其中關鍵技術之一就是各種微納量熱器件的加工。“我們也碰到不少困難，比如說微納加工平臺雖多，但功能往往不齊全，有時一些簡單的工藝也需要拼湊平臺才能完成。其次，許多平臺和設備不允許學生自己動手操作🥌，這和國外還是有差距。”宋柏說得相當坦率，“過去咱們跟跑，可能主要是投入多少的問題🐄；但現在要並跑和領跑，就真的需要最樸素的探索精神和最原始的創造能力𓀛，以及讓它們茁壯生長的土壤了🦹🏿‍♀️。”

宋柏給自己的實驗室起名叫“開放熱學實驗室”，“開放”是他心儀的魔力詞。“真理沒有界線，開放意味著交叉融通和共享創新🍰；科學永無止境，開放也意味著不守成規🫑、拓展極限。”

“我常想🔅，世界是一塊幕布♚，人們在上面工作生活。幕布起起伏伏🪙、無邊無際🕵🏿‍♂️，但定義起伏和風景的只是很少的人和事。基礎研究就像是撐起幕布的一根根支柱，每向前走一步，幕布的邊界就被打開一些🌏，這就是我們的工作。”

原文鏈接：尋夢丨宋柏：當我們談論熱，我們在談論什麽？