Steve Granick院士團隊揭示內部定向輻射熱傳導，挑戰經典自然科學定律

該團隊證實電磁輻射在半透明材料中作為獨立的熱傳導途徑，對傳統教科書的觀點提出挑戰。

最近，Steve Granick院士的研究團隊發現一個熱傳導中的異常現象，這一異常現象挑戰了控制熱在固體材料中擴散的經典科學定律——傅立葉定律，該定律已經存在200多年。雖然之前已經有證據表明在納米尺度存在違反該定律的現象，但這次研究首次在《Proc. Natl. Acad. Sci. USA》上發表，揭示了該定律在宏觀尺度上的局限性，尤其在塑料和玻璃等半透明材料中異常現象普遍存在。

Steve表示：“這項研究的靈感源于一個簡單的問題：如果熱能可以通過另一種途徑傳導，而不僅僅限于傳統路徑呢？”

鄭鍇鍇（右）和Steve Granick（左）在實驗室中合影。這張照片是由實驗用的紅外相機拍攝，一種非接觸式的溫度測量技術，展示皮膚溫暖而頭發較冷的現象。

輻射熱是我們從太陽接收的熱量，在太陽照射下，電磁波會使我們的皮膚感到溫暖。另一方面，熱傳導描述了比如倒熱茶時茶杯對手的溫度影響。長達200年來，科學家們認為熱擴散是解釋固體中熱傳播的核心。Steve指出：“然而有時，創造力要求我們放下傳統，去嘗試新的路徑。”

論文的第一作者鄭鍇鍇指出：“半透明聚合物和無機玻璃可能屬于傅立葉定律的一個特例。盡管這些材料也發生熱擴散，但研究團隊假設這些材料的半透明性可能導致能量以輻射方式穿過材料。”

內部定向輻射熱傳導機理：在半透明材料中，溫度梯度的存在不僅引起熱傳導，還會導致內部定向輻射的產生。這種輻射可以經歷散射、透射和吸收的過程。

為驗證該假設，研究團隊將樣品置于他們自己搭建的真空室中，以消除熱對流的干擾，并屏蔽外部輻射信號。隨后，他們利用調制激光在一個樣品上產生熱脈沖來加熱微小區域，并在另一個樣品上施加恒定的溫度梯度。然后，利用高靈敏度的非接觸式紅外相機觀察熱量如何通過樣品進行傳播。經過多次重復實驗，研究團隊不斷發現傅里葉定律無法完全解釋的異常現象。鄭鍇鍇表示：“這種異常現象應該很早之前就存在，但從未有人嘗試解決這一基礎科學問題。”

實驗結果表明，半透明材料允許能量通過內部輻射進行傳播，并與分子尺度結構缺陷進行相互作用，這些缺陷隨后成為次級熱源，從而進一步傳播熱量。

Steve強調：“并不是說傅里葉定律是錯誤的，只是它無法解釋我們在熱傳導方面觀察到的所有現象。這樣的基礎研究使我們對傳熱工作原理有了更深入、更廣泛的理解，為工程技術領域提供了熱操控器件設計的新策略。”

這項研究得到了Barrett家族基金和韓國基礎科學研究院的支持。不僅挑戰了長期以來的科學信念，還彰顯了基礎科學研究在揭示物理世界機制中的重要性。通過對現有知識的質疑和未知領域的探索，該團隊為未來材料科學和工程領域的創新鋪平了道路。

該研究受到多家國際新聞網站的關注報道，包括《ScienceAlert》、《phys.org》、《Newsweek》、《StudyFinds》、《IFLScience》等。相關鏈接如下：

1.https://www.sciencealert.com/startling-exception-discovered-to-200-year-old-law-of-physics

2.https://phys.org/news/2024-03-exception-year-scientific-law.html

3.https://www.newsweek.com/scientists-exception-fouriers-law-1875910

4.https://studyfinds.org/fouriers-law-of-physics-heat/

5.https://www.iflscience.com/200-year-old-physics-law-might-have-some-major-exceptions-73281

相關文獻：

Kaikai Zheng, Shankar Ghosh* and Steve Granick*, Exceptions to Fourier’s Law at the Macroscale, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2024, 121 (11) e2320337121.

https://doi.org/10.1073/pnas.2320337121