热量竟能逆流？流体动力学的散热黑科技

当我们想到热量在材料中传播时，脑海里通常会浮现扩散传输——也就是粒子和分子相互碰撞，把热量从高温传到低温，同时在这个过程中损失动能。但在某些材料中，热量可以以另一种方式传播，像水在管道中流动一样——至少在理论上——可以强使它朝选定的方向流动。这种模式就叫流体动力学热传输。

热传导由声子介导，声子是固体里原子集体振动的表现。当声子在材料中传播而不损失动量时，就出现了声子流体动力学现象。

这种现象已在理论和实验上研究了数十年，但如今对实验人员来说比以往更有吸引力，因为它在石墨烯等材料中表现突出，并可以用来引导电子器件和储能设备中的热流。

声子流的新分析框架

来自EPFL的THEOS实验室的MARVEL科学家在Physical Review Letters（《物理评论快报》）上发表文章，在建模和解释声子流体动力学方面取得了重大突破。

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这个全新的数学描述使这一现象更易于通过实验进行验证，并阐明了其背后的物理学原理。同时，它还揭示了一种随着水动力学输运可能出现的奇特现象：热量可以从较冷的区域反向流向较热的区域。

这项研究的起点是黏性热方程（VHE），该方程由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的尼古拉·马尔扎里小组于2020年提出，用以提供一种更适合器件模拟的水动力学热输运的介观描述。尽管VHE能够实现实用的数值解，但温度的各个分量的物理意义并不明显。

“我们的目标是用解析描述替代数值描述，通过实际函数描述水动力学热输运——输入变量即可获得精确解，”论文第一作者恩里科·迪·卢森特说。他之前是马尔扎里在EPFL实验室的成员，现在哥伦比亚大学任职。

“拥有一个函数不仅使问题更容易求解，还能让我们对物理本质有更深入的理解，因为你可以看到每个物理变量如何对结果产生影响。”

重写热流方程

通过将VHE方程重新表达为两个修正的双调和方程（一种常用于研究流动的偏微分方程），该团队获得了完全解析解，并利用它证明，在流体动力学状态下，温度源自两种不同的贡献：一种与流动的热压缩性有关，另一种与热涡度有关。

"这是你通过数值方法无法获取的信息，"Di Lucente 表示。热可压缩性（本研究首次正式描述）衡量声子能量密度随温度梯度变化的程度，而热涡度则描述流体围绕某一点旋转运动。

预测令人惊讶的热回流效应

当将方程应用于70 K（远低于室温）的石墨平面部分时，方程表明会出现一个微小但非常令人惊讶的效应。

"通过在特定点注入热量，除了中心正常的热扩散外，会在两侧产生涡旋，将热量从冷区域推回热区域，我们称之为热回流。换句话说，整个设备的热阻变为负值。"

能够把这种系统装进消费电子产品里，用途可就大了，例如，流体力学热管理可以帮助防止电池或其他设备过热。

从声子到更广泛的流体机制

“我们谈论的仅仅是几开尔文度，一个非常小的效应，”迪·卢森特说，“但方程不会骗人，效应是存在的。能不能把它稳定到在技术上足够有吸引力，就看我们和实验人员的了。”

这很可能意味着使用具有更高流体力学温度的不同材料，而这项新研究开发的那些功能，正好能指引我们找到理想条件。“流体越不可压缩，回流就越多。”

可压缩性和涡量是其中的基本变量，这也意味着该方法还有更多的扩展空间。

"虽然在声子流体动力学中，流动总是可压缩的，但电子流体通常被描述为不可压缩的，"卢森特说。"但在某些特殊条件下，电子流也可以是可压缩的，例如在等离激元学中，而电子输运方程不太能准确描述这些情况。"

"我们的方法是对流动的一种广义描述，可以应用于声子、电子，甚至磁子，即粒子的集体磁激发。"

更多信息： Enrico Di Lucente 等人，《流体动力学热传输中的涡旋与回流》，《物理评论快报》（2026年）。DOI: 10.1103/g9dx-hjyn。预印本arXiv。DOI: 10.48550/arxiv.2501.16580

由瑞士国家研究能力中心MARVEL提供

这篇文章最初发表在Phys.org上。