用于單分子熱測量的雙尖端氮化鈮掃描熱顯微鏡（SThM）探針。a. 雙尖端掃描熱顯微鏡探針的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（側(cè)視圖），在兩個幾何形狀相同的梁上有氮化鈮溫度計，并配有用于電流測量的鉻 / 金金屬化層和金電極線。b. 探針的掃描電子顯微鏡圖像（俯視圖），顯示了雙尖端的接近程度（在 z 方向上偏移 20 微米）。插圖：鍍金尖端的末端。c. 用于量化單分子結(jié)熱導率的測量方案示意圖，單分子結(jié)被困在金樣品和雙尖端探針的較長尖端之間。使用全惠斯通電橋電路來測量由通過分子結(jié)的熱流引起的兩個尖端之間的溫差。一個熱阻網(wǎng)絡(luò)展示了從探針到散熱器的熱流（Q）路徑。這里 Rth,SMJ=1/Gth,SMJ，Rrad 是與環(huán)境的輻射熱阻。圖片來源：《自然材料》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w

想象一下你正在彈吉他 —— 每一次撥動琴弦都會產(chǎn)生聲波，這些聲波會振動并與其他波相互作用�，F(xiàn)在，把這個概念縮小到一個微小的單分子層面，并且不是聲波，而是想象攜帶熱量的振動。

科羅拉多大學博爾德分校保羅・M・雷迪機械工程系的一組工程師和材料科學家最近發(fā)現(xiàn)，這些微小的熱振動，也就是所謂的聲子，能夠像音符一樣相互干擾 —— 它們要么相互放大，要么相互抵消，這取決于分子是如何 “串連” 在一起的。

這項研究發(fā)表在《自然材料》雜志上。

聲子干涉是一種在室溫下從未在分子尺度上被測量或觀察到的現(xiàn)象。但這個團隊開發(fā)了一種新技術(shù)，能夠揭示這些微小的振動秘密。

這項研究由崔龍吉助理教授及其團隊在崔氏研究小組中領(lǐng)導。他們的工作涉及與來自西班牙（馬德里材料科學研究所，馬德里自治大學）、意大利（有機金屬化合物化學研究所）以及科羅拉多大學博爾德分�；瘜W系的研究人員合作。

該團隊表示，他們的發(fā)現(xiàn)將幫助世界各地的研究人員更好地理解聲子的物理行為，聲子是所有絕緣材料中的主要能量載體。他們相信，有朝一日，這一發(fā)現(xiàn)可以徹底改變未來電子學和材料中散熱的管理方式。

“干涉是一種基本現(xiàn)象，” 崔龍吉說道，他同時隸屬于材料科學與工程項目以及量子材料實驗中心。“如果你有能力在最小的層面上理解熱流的干涉，你就可以制造出以前不可能制造的設(shè)備�！�

世界上最靈敏的 “耳朵”

崔龍吉說，分子聲子學，也就是對分子中聲子的研究，作為一個主要的理論討論已經(jīng)存在了相當長的時間。但是，你需要非常靈敏的 “耳朵” 才能直接 “聽到” 這些分子的 “旋律” 和振動，而此前這種技術(shù)根本不存在。

直到崔龍吉和他的團隊介入。

該團隊設(shè)計了一種比沙粒甚至木屑顆粒還小的熱傳感器。這個小探針很特別：它具有破紀錄的分辨率，使他們能夠抓住一個分子，并在盡可能小的層面上測量聲子振動。

利用這些專門設(shè)計的微型熱傳感器，該團隊研究了通過單分子結(jié)的熱流，發(fā)現(xiàn)某些分子路徑會導致相消干涉 —— 聲子振動的沖突會減少熱流。

賽耶利沙拉（Sai Yelishala）是崔龍吉實驗室的一名博士生，也是這項研究的主要作者，他說，使用他們新穎的掃描熱探針進行的這項研究首次在室溫下觀察到了相消聲子干涉。

換句話說，該團隊已經(jīng)掌握了在所有材料誕生的尺度 —— 分子尺度上管理熱流的能力。

“比如說，在海洋中有兩波水相互移動。這些波最終會相互碰撞，并在它們之間產(chǎn)生干擾，” 耶利沙拉說�！斑@就叫做相消干涉，這就是我們在這個實驗中觀察到的現(xiàn)象。理解這一現(xiàn)象可以幫助我們抑制熱傳輸，并在極小且前所未有的尺度上提高材料的性能�！�

微小分子，巨大潛力

開發(fā)出世界上最靈敏的 “耳朵” 來測量和記錄以前從未見過的聲子行為是一回事。但這些微小的振動究竟能做些什么呢？

“這只是分子聲子學的開始，” 耶利沙拉說�！霸谏�熱方面，新時代的材料和電子產(chǎn)品存在很多問題。我們的研究將幫助我們研究分子的化學性質(zhì)、物理行為和熱管理，從而解決這些問題。”

以一種有機材料，比如聚合物為例。它的低熱導率和對溫度變化的敏感性常常帶來很大的風險，比如過熱和降解。

也許有一天，在聲子干涉研究的幫助下，科學家和工程師可以開發(fā)出一種新的分子設(shè)計。這種設(shè)計可以將聚合物變成一種類似金屬的材料，能夠利用相長聲子振動來增強熱傳輸。

這項技術(shù)甚至可以在熱電學等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，熱電學也就是利用熱量發(fā)電。在這個學科中，減少熱流并抑制熱傳輸可以提高熱電器件的效率，并為清潔能源的使用鋪平道路。

該團隊表示，這項研究對他們來說也只是冰山一角。他們接下來的項目以及與科羅拉多大學博爾德分�；瘜W家的合作將進一步拓展這一現(xiàn)象，并利用這種新穎的技術(shù)探索分子尺度上的其他聲子特性。

“聲子幾乎存在于所有材料中，” 耶利沙拉說。“因此，我們可以使用我們的超靈敏探針在盡可能小的層面上推動天然和人造材料的發(fā)展。”

更多信息：賽耶利沙拉等人，《單分子結(jié)中的聲子干涉》，《自然材料》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w

期刊信息：《自然材料》

由美國科羅拉多大學博爾德分校提供