Steve Granick院士团队揭示内部定向辐射热传导，挑战经典自然科学定律

钢铁侠 6天前 395浏览

该团队证实电磁辐射在半透明材料中作为独立的热传导途径，对传统教科书的观点提出挑战。

最近，Steve Granick院士的研究团队发现一个热传导中的异常现象，这一异常现象挑战了控制热在固体材料中扩散的经典科学定律——傅立叶定律，该定律已经存在200多年。虽然之前已经有证据表明在纳米尺度存在违反该定律的现象，但这次研究首次在《Proc. Natl. Acad. Sci. USA》上发表，揭示了该定律在宏观尺度上的局限性，尤其在塑料和玻璃等半透明材料中异常现象普遍存在。

Steve表示：“这项研究的灵感源于一个简单的问题：如果热能可以通过另一种途径传导，而不仅仅限于传统路径呢？”

郑锴锴（右）和Steve Granick（左）在实验室中合影。这张照片是由实验用的红外相机拍摄，一种非接触式的温度测量技术，展示皮肤温暖而头发较冷的现象。

辐射热是我们从太阳接收的热量，在太阳照射下，电磁波会使我们的皮肤感到温暖。另一方面，热传导描述了比如倒热茶时茶杯对手的温度影响。长达200年来，科学家们认为热扩散是解释固体中热传播的核心。Steve指出：“然而有时，创造力要求我们放下传统，去尝试新的路径。”

论文的第一作者郑锴锴指出：“半透明聚合物和无机玻璃可能属于傅立叶定律的一个特例。尽管这些材料也发生热扩散，但研究团队假设这些材料的半透明性可能导致能量以辐射方式穿过材料。”

内部定向辐射热传导机理：在半透明材料中，温度梯度的存在不仅引起热传导，还会导致内部定向辐射的产生。这种辐射可以经历散射、透射和吸收的过程。

为验证该假设，研究团队将样品置于他们自己搭建的真空室中，以消除热对流的干扰，并屏蔽外部辐射信号。随后，他们利用调制激光在一个样品上产生热脉冲来加热微小区域，并在另一个样品上施加恒定的温度梯度。然后，利用高灵敏度的非接触式红外相机观察热量如何通过样品进行传播。经过多次重复实验，研究团队不断发现傅里叶定律无法完全解释的异常现象。郑锴锴表示：“这种异常现象应该很早之前就存在，但从未有人尝试解决这一基础科学问题。”

实验结果表明，半透明材料允许能量通过内部辐射进行传播，并与分子尺度结构缺陷进行相互作用，这些缺陷随后成为次级热源，从而进一步传播热量。

Steve强调：“并不是说傅里叶定律是错误的，只是它无法解释我们在热传导方面观察到的所有现象。这样的基础研究使我们对传热工作原理有了更深入、更广泛的理解，为工程技术领域提供了热操控器件设计的新策略。”

这项研究得到了Barrett家族基金和韩国基础科学研究院的支持。不仅挑战了长期以来的科学信念，还彰显了基础科学研究在揭示物理世界机制中的重要性。通过对现有知识的质疑和未知领域的探索，该团队为未来材料科学和工程领域的创新铺平了道路。

该研究受到多家国际新闻网站的关注报道，包括《ScienceAlert》、《phys.org》、《Newsweek》、《StudyFinds》、《IFLScience》等。相关链接如下：

1.https://www.sciencealert.com/startling-exception-discovered-to-200-year-old-law-of-physics

2.https://phys.org/news/2024-03-exception-year-scientific-law.html

3.https://www.newsweek.com/scientists-exception-fouriers-law-1875910

4.https://studyfinds.org/fouriers-law-of-physics-heat/

5.https://www.iflscience.com/200-year-old-physics-law-might-have-some-major-exceptions-73281