中國科大工程科學學院近代力學系吳恒安教授團隊朱銀波副教授聯(lián)合熱科學和能源工程系馬浩特任教授，基于大規(guī)模分子動力學模擬和聲子熱輸運分析，系統(tǒng)揭示了無定形金剛石/石墨混合雜化碳（a-DG）相變規(guī)律及反常熱導率特性背后的物理力學機制。研究揭示了a-DG熱導率隨密度變化呈現(xiàn)出反常的“先下降后上升”非單調(diào)行為，不僅對無定形碳熱力學行為的傳統(tǒng)認知提出了挑戰(zhàn)，也在原子級序構—宏觀性能的構效關系方面取得了突破性進展。相關研究成果以“Unveiling the Microscopic Origin of Anomalous Thermal Conductivity in Amorphous Carbon”為題于6月6日發(fā)表在《Science Advances》期刊。
力學和熱學交叉研究團隊通過大規(guī)模分子動力學模擬，揭示了從sp2雜化無序多層石墨烯（DMG）到sp3雜化納米金剛石（ND）的連續(xù)相變路徑，并構建了不同密度下的定量化a-DG原子模型。與傳統(tǒng)的石墨-金剛石相變不同，DMG前驅體內(nèi)部廣泛存在螺位錯、交叉位錯等拓撲缺陷，使得sp2向sp3的轉變路徑上出現(xiàn)一系列混合雜化程度不同的亞穩(wěn)態(tài)結構。
圖1 a-DG的混合雜化非均質結構
結合機器學習勢函數(shù)神經(jīng)演化勢（NEP）和均質非平衡態(tài)分子動力學模擬（HNEMD），研究團隊在a-DG結構中發(fā)現(xiàn)了熱導率隨密度和sp3/sp2變化呈現(xiàn)出“先下降后上升”的反常趨勢，顯著偏離已有文獻中報道的單調(diào)變化規(guī)律。這一現(xiàn)象不僅突破了無定形碳“密度越高、導熱越強”的傳統(tǒng)認知，也為更廣泛地理解無定形材料相變路徑與熱力學機制提供了重要的理論依據(jù)與新視角。
圖2 熱導率與密度和sp3/sp2雜化比例的反常依賴關系
a-DG中反常熱導率源于其獨特的雙階段微觀拓撲相變路徑（半有序-無序-半有序），該過程重構了聲子輸運行為并引發(fā)中等頻率范圍內(nèi)光譜熱流貢獻的重新分配和聲子平均自由程的顯著變化。該研究首次揭示了微觀結構演變和聲子自由程對無定形碳熱導率的關鍵調(diào)控作用，為新型無序材料熱輸運機制的解析提供了重要的科學依據(jù)和新的理論理解。
圖3反常熱導率的微結構依賴和聲子振動起源
該研究工作吳恒安教授指導了該工作，近代力學系碩士研究生張忠廷與熱科學和能源工程系碩士研究生羅健為共同第一作者，朱銀波副教授和馬浩特任教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進會和國家創(chuàng)新人才計劃青年項目等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adx5007
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