中国科大揭示无定形碳反常热导率微观力学机制
发布时间: 2025-06-15 10:51:30
中国科大工程科学学院近代力学系吴恒安教授团队朱银波副教授联合热科学和能源工程系马浩特任教授，基于大规模分子动力学模拟和声子热输运分析，系统揭示了无定形金刚石/石墨混合杂化碳（a-DG）相变规律及反常热导率特性背后的物理力学机制。研究揭示了a-DG热导率随密度变化呈现出反常的“先下降后上升”非单调行为，不仅对无定形碳热力学行为的传统认知提出了挑战，也在原子级序构—宏观性能的构效关系方面取得了突破性进展。相关研究成果以“Unveiling the Microscopic Origin of Anomalous Thermal Conductivity in Amorphous Carbon”为题于6月6日发表在《Science Advances》期刊。
力学和热学交叉研究团队通过大规模分子动力学模拟，揭示了从sp2杂化无序多层石墨烯（DMG）到sp3杂化纳米金刚石（ND）的连续相变路径，并构建了不同密度下的定量化a-DG原子模型。与传统的石墨-金刚石相变不同，DMG前驱体内部广泛存在螺位错、交叉位错等拓扑缺陷，使得sp2向sp3的转变路径上出现一系列混合杂化程度不同的亚稳态结构。
图1 a-DG的混合杂化非均质结构
结合机器学习势函数神经演化势（NEP）和均质非平衡态分子动力学模拟（HNEMD），研究团队在a-DG结构中发现了热导率随密度和sp3/sp2变化呈现出“先下降后上升”的反常趋势，显著偏离已有文献中报道的单调变化规律。这一现象不仅突破了无定形碳“密度越高、导热越强”的传统认知，也为更广泛地理解无定形材料相变路径与热力学机制提供了重要的理论依据与新视角。
图2 热导率与密度和sp3/sp2杂化比例的反常依赖关系
a-DG中反常热导率源于其独特的双阶段微观拓扑相变路径（半有序-无序-半有序），该过程重构了声子输运行为并引发中等频率范围内光谱热流贡献的重新分配和声子平均自由程的显著变化。该研究首次揭示了微观结构演变和声子自由程对无定形碳热导率的关键调控作用，为新型无序材料热输运机制的解析提供了重要的科学依据和新的理论理解。
图3反常热导率的微结构依赖和声子振动起源
该研究工作吴恒安教授指导了该工作，近代力学系硕士研究生张忠廷与热科学和能源工程系硕士研究生罗健为共同第一作者，朱银波副教授和马浩特任教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、中国科学院青年创新促进会和国家创新人才计划青年项目等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adx5007
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