近日，物理科学与工程学院徐象繁教授团队实验发现了有机物热导率随长度的标度行为，研究成果以“Superdiffusive Thermal Transport in Polymer-Grafted Nanoparticle melts”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

通常来说，三维块体中的热传导由傅里叶定律（J=-κ∇T）支配，其中J表示热流，∇T表示温度梯度，κ表示热导率。傅里叶定律表明当样品尺寸超过声子平均自由程时，热导率与样品的大小和几何形状无关。然而，在过去的三十年中，有理论和实验研究表明，在准一维纳米结构、聚合物和二维材料中存在长度依赖的热导率。具体来说，二维晶格中，κ~ln L（其中L为热流方向上的样品长度），而在一维晶格中，κ~L^α（0<α<1），α为一维晶格中的热导率。这种异常行为也被称为超扩散热传输。α=0和α=1分别定义了扩散热传输和弹道热传输。

图1(a)SiO₂-PMA复合体示意图(b)SiO₂-PMA复合体有效半径与N关系(c)热导率与N关系图(d)热导率与有效半径关系图 

在这篇文章中，作者发现了紧密堆积的SiO₂-PMA复合体（图1a）的热导率随N的变化呈现出一个峰值（图1c）。使用修改后的Maxwell模型成功地对N≤1000的热导率实验数据进行了建模，发现接枝聚合物链的热导率遵循κ_p~N_dry^0.46（图1c），这证实了伸展聚合物链中存在超扩散声子传输的概念。

同济大学物理科学与工程学院博士生刘博海（已毕业，现为荷兰Eindhoven University of Technology博士后）为论文第一作者，同济大学物理科学与工程学院徐象繁教授、美国哥伦比亚大学Sanat K.Kumar教授以及德国马普高分子所George Fytas教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家基金委和科技部重点专项支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.248101