用于单分子热测量的双尖端氮化铌扫描热显微镜（SThM）探针。a. 双尖端扫描热显微镜探针的扫描电子显微镜（SEM）图像（侧视图），在两个几何形状相同的梁上有氮化铌温度计，并配有用于电流测量的铬 / 金金属化层和金电极线。b. 探针的扫描电子显微镜图像（俯视图），显示了双尖端的接近程度（在 z 方向上偏移 20 微米）。插图：镀金尖端的末端。c. 用于量化单分子结热导率的测量方案示意图，单分子结被困在金样品和双尖端探针的较长尖端之间。使用全惠斯通电桥电路来测量由通过分子结的热流引起的两个尖端之间的温差。一个热阻网络展示了从探针到散热器的热流（Q）路径。这里 Rth,SMJ=1/Gth,SMJ，Rrad 是与环境的辐射热阻。图片来源：《自然材料》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w

想象一下你正在弹吉他 —— 每一次拨动琴弦都会产生声波，这些声波会振动并与其他波相互作用。现在，把这个概念缩小到一个微小的单分子层面，并且不是声波，而是想象携带热量的振动。

科罗拉多大学博尔德分校保罗・M・雷迪机械工程系的一组工程师和材料科学家最近发现，这些微小的热振动，也就是所谓的声子，能够像音符一样相互干扰 —— 它们要么相互放大，要么相互抵消，这取决于分子是如何 “串连” 在一起的。

这项研究发表在《自然材料》杂志上。

声子干涉是一种在室温下从未在分子尺度上被测量或观察到的现象。但这个团队开发了一种新技术，能够揭示这些微小的振动秘密。

这项研究由崔龙吉助理教授及其团队在崔氏研究小组中领导。他们的工作涉及与来自西班牙（马德里材料科学研究所，马德里自治大学）、意大利（有机金属化合物化学研究所）以及科罗拉多大学博尔德分校化学系的研究人员合作。

该团队表示，他们的发现将帮助世界各地的研究人员更好地理解声子的物理行为，声子是所有绝缘材料中的主要能量载体。他们相信，有朝一日，这一发现可以彻底改变未来电子学和材料中散热的管理方式。

“干涉是一种基本现象，” 崔龙吉说道，他同时隶属于材料科学与工程项目以及量子材料实验中心。“如果你有能力在最小的层面上理解热流的干涉，你就可以制造出以前不可能制造的设备。”

世界上最灵敏的 “耳朵”

崔龙吉说，分子声子学，也就是对分子中声子的研究，作为一个主要的理论讨论已经存在了相当长的时间。但是，你需要非常灵敏的 “耳朵” 才能直接 “听到” 这些分子的 “旋律” 和振动，而此前这种技术根本不存在。

直到崔龙吉和他的团队介入。

该团队设计了一种比沙粒甚至木屑颗粒还小的热传感器。这个小探针很特别：它具有破纪录的分辨率，使他们能够抓住一个分子，并在尽可能小的层面上测量声子振动。

利用这些专门设计的微型热传感器，该团队研究了通过单分子结的热流，发现某些分子路径会导致相消干涉 —— 声子振动的冲突会减少热流。

赛耶利沙拉（Sai Yelishala）是崔龙吉实验室的一名博士生，也是这项研究的主要作者，他说，使用他们新颖的扫描热探针进行的这项研究首次在室温下观察到了相消声子干涉。

换句话说，该团队已经掌握了在所有材料诞生的尺度 —— 分子尺度上管理热流的能力。

“比如说，在海洋中有两波水相互移动。这些波最终会相互碰撞，并在它们之间产生干扰，” 耶利沙拉说。“这就叫做相消干涉，这就是我们在这个实验中观察到的现象。理解这一现象可以帮助我们抑制热传输，并在极小且前所未有的尺度上提高材料的性能。”

微小分子，巨大潜力

开发出世界上最灵敏的 “耳朵” 来测量和记录以前从未见过的声子行为是一回事。但这些微小的振动究竟能做些什么呢？

“这只是分子声子学的开始，” 耶利沙拉说。“在散热方面，新时代的材料和电子产品存在很多问题。我们的研究将帮助我们研究分子的化学性质、物理行为和热管理，从而解决这些问题。”

以一种有机材料，比如聚合物为例。它的低热导率和对温度变化的敏感性常常带来很大的风险，比如过热和降解。

也许有一天，在声子干涉研究的帮助下，科学家和工程师可以开发出一种新的分子设计。这种设计可以将聚合物变成一种类似金属的材料，能够利用相长声子振动来增强热传输。

这项技术甚至可以在热电学等领域发挥重要作用，热电学也就是利用热量发电。在这个学科中，减少热流并抑制热传输可以提高热电器件的效率，并为清洁能源的使用铺平道路。

该团队表示，这项研究对他们来说也只是冰山一角。他们接下来的项目以及与科罗拉多大学博尔德分校化学家的合作将进一步拓展这一现象，并利用这种新颖的技术探索分子尺度上的其他声子特性。

“声子几乎存在于所有材料中，” 耶利沙拉说。“因此，我们可以使用我们的超灵敏探针在尽可能小的层面上推动天然和人造材料的发展。”

更多信息：赛耶利沙拉等人，《单分子结中的声子干涉》，《自然材料》（2025 年）。DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w

期刊信息：《自然材料》

由美国科罗拉多大学博尔德分校提供