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（文汇报今日头版头条）用“声子学”引领热技术突破
来源：《文汇报》 发表时间：10/17/2012 阅读次数：807
物理学各大领域中，热的研究进展很慢，几十年来几乎在原地踏步。李保文教授开
辟出一片新天地，正在同济大学主持一系列前沿研究—— 用“声子学”引领热技术突破
本报首席记者 张懿
如果想尽快烧开一壶冷水，你一定会把炉火调旺。但有一种材料，用它装水，火越
旺，水反而热得越慢，你相信吗？
这完全颠覆了常识，可根据新近的研究，至少在理论上，这种现象已被证明是可能
的。
做出这个理论证明的学者，是中央“千人计划”特聘专家李保文教授。眼下，他正
在同济大学主持一系列前沿研究——研发高度精密和智能的器件，用来控制热流。
今年7月，国际物理界最权威、影响因子最高的学术期刊《现代物理评论》（
Modern Physics Review）发表了李保文和同事们一篇关于“声子学”的论文，详细介
绍了他带领的团队10多年来在这个领域的主要研究成果。
找到能够制造“奇异水壶”的材料，剖析其机制特性，极具价值。这或许能像上世
纪发现半导体一样，带来新的科技和工业革命。李保文的梦想，正是改变人类使用热的
方式，比如开发出能够自动调节温度的墙砖，让火电机组、汽车引擎、微电子器件散发
的废热得到循环利用，创造全新的太阳能利用方式……
“声子”和“声子器件”
在物理学的各大领域中，热的研究进展最慢。半个多世纪前，我们对热的认识并不
比电少；但随后，晶体管、集成电路等引发微电子革命，彻底改变了世界；而热的研究
几乎在原地踏步。今天，一部手机的运算能力已超过第一代大型计算机，但火电、发动
机、保温材料等与热相关的东西，大多还沿着百多年前的技术路线在走，做着小幅改进。
研究热，李保文开辟出了一片全新的天地。
科学家早就发现，热的本质，是微观层面的分子振动；传递热，是分子振动由此及
彼的扩散，就像涟漪。
由于热和声音都是振动，为方便研究，物理学家在几十年前构想出一种虚拟的基本
粒子：声子（Phonon）。声子可以被理解为分子热振动能量的具象化，在半导体材料里
，声子流就是热流。
李保文说，早先人们研究声子，是为了让它少添乱。
声子和电子很像，也会和电子相互作用。杂乱无章运动着的声子，仿佛乱穿马路的
行人，搞得在路上列队前行的电子不得不减速，这就增加了电阻，徒耗能源，还限制了
芯片的速度。若将导体冷却到足够低温，会出现零电阻和超导现象——从声子的角度，
这很好解释：温度够低，分子安静下来，声子几乎消失；此时，对电子来说，导线就像
深夜的街道一样空旷，可以畅通无阻。
超导对于输电很有意义。但正如信息技术革命的重点并非处理超强电流，而是极其
细微的电路和元器件，对声子的进一步研究也逐渐转向操控微小尺度体系的热流。人们
希望，参照微电子器件，发明一系列“声子器件”。李保文是其中一位出色的研究者。
二极管、三极管、存储器，都是堪称电子信息时代基石的器件，李保文在为操控、
利用热流打造基石：热二极管，只让热流单向通过；热三极管，类似电子三极管，是热
流的开关和放大器——有了它们，热流（就是“声子流”）便能按着人的意愿流动。若
将高温、低温分别定义成1和0，岂不就是前所未有的“热运算系统”？
李保文对于声子运动原理和相关器件的研究已长达15年，在一系列顶尖杂志上不断
发表着开创性的论文，近年来每年被引用近1000次。这表明他的成果得到了全球同行的
关注和认可。
理论构想开始“落地”
用物理学原理解释，热是“分子乱舞”。要为混沌建立秩序，不容易。
李保文上世纪80年代初先后就读于南京大学和中科院声学所，一直专注声学研究；
90年代末，他到新加坡国立大学工作，此时的研究方向已转向热学，这是找了个冷门的
领域。
李保文告诉记者，类似于热二极管、具备单向导热效应的材料，半个多世纪前已被
国外学者发现，但他们“知其然而不知其所以然”，未予足够重视。
李保文的成功之处在于，他用声子模型，从分子振动的视角研究热在纳米尺度下的
传递机制。
他坦言，最初做热传导研究，其实是想证明“热逻辑门和智能系统是造不出来的”
；可随着研究深入，他改变了想法。特别是在一系列计算机模拟实验中，他发现完全有
可能造出本文开头提到的“奇异水壶”，即在一定条件下，温差越大、热流越小。这种
性质的材料不仅普通人难以想象，对科学家来说也足够意外。有了它，原本被认为“最
不可能出现”的热三极管，一下有了眉目。
李保文于2004年完成了热二极管的原理证明和结构设计，那以后，是热三极管、热
存储器和热逻辑门。身为物理学家，他的工作重点是理论描述，并在计算机里建立模型
，测试这种暂时仅存于纸面和虚拟世界的材料。
2006年，美国加州大学伯克利分校的科学家，沿着李保文提示的方向，做出了全球
第一个真正的热二极管；之后日本早稻田大学也获成功，而且显著提升了热二极管的效
率。
相比电子二极管，热二极管从理论到“落地”耗时更短。因此李保文认为，热三极
管问世应该不会等太久。
前景动人路途遥远
李保文的成就被学界认可之后，他被授予新加坡国家科学奖和海外华人物理学会亚
洲成就奖。2011年，他被同济大学特聘回国，负责筹建同济与新加坡国立大学共建的声
子学与热能科学中心。
这个中心如此命名，意味着一个崭新学科——声子学（Phononics）已经出现。
李保文说，在理论突破之外，如今他更希望实实在在做出声子器件，实际应用。
以工科见长的同济大学，为他理论构想的“落地”提供了好环境，而且，同济愿意
向他打开各个院系的大门，让声子学与电子、汽车、建筑甚至生命等学科充分“交叉”。
李保文说，早先人们认为声子器件能造就“声子计算机”，这很可能做得到，但热
传递的速度远不及电子，所以声子计算机不可能匹敌电子计算机。声子器件最合适的用
途，还是构建高度智能的热系统。
他说，人能稳定地保持37℃的体温，宏观上看，是靠出汗、收缩毛孔来散热或保温
；在微观层面，体温调节也能用声子运动解释。人们发现，DNA与制备热二极管、热三
极管的材料，在分子结构上有诸多相似；也就是说，人体很可能是一个由大量声子器件
构成的智能温控系统。如果将这套系统的原理、机制弄清楚，借鉴应用于建筑，就可能
发明出恒温的聪明大楼。
声子学研究的成果，还可能帮我们大幅提高热效率。目前的火电机组、汽车引擎，
消耗的燃料至少有一半成了废热，声子器件有潜力将燃烧效率显著提高。新的热技术还
可用于芯片，计算机的运算速度由此将挑战新的极限。
前景动人，但路途遥远。李保文说，声子器件现在只能做到纳米大小，一旦达到微
米级，效率就陡然下降……这其中有大量基础理论问题有待解答。 |
C*S
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C*S
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t******n
发帖数: 6242 | 4 photon != phonon
不过我是物理系毕业。上个月跟我师妹、现在声学所的领导聊了会，知道一点引进李教
授的内幕。还有数理化声海洋航空刚刚合并，成立了理学部。
【在 C*S 的大作中提到】
: 莫非版主是李教授?
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M*****c
发帖数: 3306 | 5 zkss
啥内幕？是忽悠？
【在 t******n 的大作中提到】
: photon != phonon
: 不过我是物理系毕业。上个月跟我师妹、现在声学所的领导聊了会，知道一点引进李教
: 授的内幕。还有数理化声海洋航空刚刚合并，成立了理学部。
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l********g
发帖数: 863 | 6 理学部已经好几年了吧，您这消息够慢的。
【在 t******n 的大作中提到】
: photon != phonon
: 不过我是物理系毕业。上个月跟我师妹、现在声学所的领导聊了会，知道一点引进李教
: 授的内幕。还有数理化声海洋航空刚刚合并，成立了理学部。
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t******n
发帖数: 6242 | 7 查了一下，还真是，2005年就成立理学部了。
【在 l********g 的大作中提到】
: 理学部已经好几年了吧，您这消息够慢的。
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l********g
发帖数: 863 | 8 我是力学的，所以我大概知道点。
04年初成立了航院，原来的理学院一下子只剩数学物理化学三个系了。与此同时分家出
去的航院和海洋学院都是学院下没有系直接设专业。估计是觉得学院太多太小不方便吧
，于是又搞了个理学部把几个学院连起来，相当于是原来的系和院都升一级。除了多出
一群中层干部，组织更加松散之外，没有任何变化。包括党委什么的，都还是在一起。
同济现在就是学院多如牛毛，不过规模也都差不多是牛毛级。
【在 t******n 的大作中提到】
: 查了一下，还真是，2005年就成立理学部了。
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t****a
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