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【黄岛讲坛(第44期)】李保文院士讲述热能控制的艺术——热二极管、热三极管和热超结构材料
发布时间:2019-05-22 13:58:00点击数:字号:
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会议报告人 审核人 蒋大森
学术报告 简介

李保文作题为“热二极管/热三极管和热超结构材料——热能控制的艺术”的报告 丁朝政摄影

报告会现场 郭江涛摄影

【本站讯】5月14日,欧洲科学院院士、美国物理学会会士、新兴研究领域——声子学的先驱者之一李保文教授做客第44期黄岛讲坛,作题为“热二极管/热三极管和热超结构材料——热能控制的艺术”(Thermal Diode, Thermal Triode and Thermal Superstructure:Material-Art of Thermal Energy Control)的学术报告。

李保文院士以“人类永恒的两个问题?——温、饱”为开篇,将热力学有关知识与人们日常生活的浅显道理有机融合,凸显了“温”所代表的“热”对人类生存发展的重要性,使在座听众印象深刻。他将三极管描述为“自己心目中20世纪最伟大的发明”,并借此引申出本次报告的主要内容。李保文举例介绍了三极管发展史中遭受的种种质疑与面对的重重坎坷,尤其是三极管因发热引发事故的案例,例如:三星GALAXY手机爆炸案、特斯拉电动汽车自燃案。李保文谈到,随着时代不断发展,发电厂能源和大数据行业问题亟待解决,中国目前还主要使用火力发电,但其弊端突显:对环境和大气污染大、可持续发展前景黯淡、转换效率不到40%(耗能大效率低)。因此,他总结到:“由目前世界使用能源种类及比例、燃料的能量转换效率、一定范围内计算机运行速度与温度的反比关系等可以看出,为了使人类生活发展更迅速顺畅,实现热能的有效控制势在必行。”

为向听众详细直观地讲述热能控制的艺术,李保文首先勾勒出本次报告的框架内容:一是微观尺度控制热能器件,二是纳米尺度控制热能(掺杂同位素), 三是宏观尺度控制热能器件。他借烧开水这一寻常现象引出热对流,将深奥命题浅显化。随后,他提到了如何解决高度非线性单个振子的势函数,并详细解释它的多解性,同时运用傅立叶变换解决了一组简谐运动振子的运动频率与振幅的关系,借此引出有效声子理论,并运用此方法推演出统计物理中的FPU模型(Fermi-Pasta-Ulam Model)和FK模型(Frenkel-Kontorova Model)。李保文提到,用FK模型求解一组高温情况下成链非线性振子、用FPU模型求解一组低温情况下成链非线性振子,并将两种模型综合运用,从理论上找到了热二极管模型。他还展示了热二极管理论与许多热力学结论之间的联系,如卡皮查热阻(Kapitza thermal resistance,1948)、微纳米维度界面热阻不对称等。

在谈及热二极管的应用问题时,李保文表示:“热二极管应用前景广阔,可以做逻辑门,例如‘与’门、‘非’门、‘和’门等,并进一步用于计算。传统使用电子做电子计算机,也曾尝试用光子做光子计算机,同样,声子也可用来做声子计算机,同时可以衍生出很多分支行业。”针对热超结构材料的应用,李保文指出,热超结构材料可以用于制造热隐身衣,它能在热探测仪器上给予错误的热信号反馈,在军事上大有用武之地。

最后,李保文与到场师生交流互动,并强调热二极管、热三极管的应用在能源与环境方面大有可为,具有理想的发展前景。

李保文,欧洲科学院院士,美国物理学会会士,科罗拉多大学机械工程系和物理系冠名教授。新兴研究领域——声子学的先驱者之一,主要研究方向包括:声子/热输运的基本理论和测量技术、声子热器,4件、热超材料、拓扑声子学、量子声子学和复杂网络等。撰写和合著330多篇论文,其中2篇发表在《现代物理评论》(Rev. Mod. Phys.)、30篇发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett)等国际物理类权威学术刊物,文章被引18000多次,H指数74。研究成果在国际学界产生重要影响并获多项奖项荣誉,包括2005年新加坡国家科学奖,2005年国际中国物理学家和天文学家组织(OCPA)亚洲成就奖、2014-2015加州大学伯克利分校“斯普林格教授”职位、2017年国际声子学会“布里渊”奖章。2013年当选美国物理学会会士,2017年当选欧洲科学院院士。

【 作者:曾行 孙伟 来自:材料科学与工程学院  责任编辑:姜洪明 审核:蒋大森】

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