熱竟然從冷處流向熱處：科學(xué)家破解熱流逆轉(zhuǎn)的物理密碼

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想象一下，你把手放在冰塊上，熱量卻從冰塊流向你的手掌。這聽起來違背常識，但瑞士科學(xué)家剛剛證實，在特定條件下，熱確實可以"倒流"。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究團隊建立了描述這種反常熱流的完整數(shù)學(xué)框架，并首次從理論上預(yù)測了"負(fù)熱阻"現(xiàn)象。這項發(fā)表于《物理評論快報》的成果，可能為手機芯片和電動汽車電池的熱管理帶來革命性變化。

我們通常理解的熱傳導(dǎo)就像墨水滴入清水。熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)擴散，分子通過碰撞傳遞動能，最終溫度趨于均勻。物理學(xué)家稱之為擴散輸運。

但自然界還隱藏著另一種更奇特的傳熱方式。在某些材料中，熱量可以像水在管道中流動那樣集體運動。這種機制被稱為流體動力學(xué)熱輸運，其載體是聲子——固體中原子集體振動的準(zhǔn)粒子。當(dāng)聲子在材料中傳播時，如果不損失動量，就會形成類似流體的行為。

石墨烯就是典型的例子。這種單原子層碳材料自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，一直因其超常的熱導(dǎo)率備受關(guān)注。2010年諾貝爾獎得主安德烈·海姆團隊最早觀察到，石墨烯中的聲子可能表現(xiàn)出流體特征。但如何精確描述這種流動，一直是理論物理的難點。

2020年，EPFL的尼古拉·馬爾扎里團隊提出了粘性熱方程（VHE），首次在介觀尺度上描述了流體動力學(xué)熱輸運。這為設(shè)備模擬提供了實用工具，但方程中的溫度分量缺乏清晰的物理意義。

"我們不再需要數(shù)值模擬，"迪盧森特解釋說，"現(xiàn)在只需輸入變量，就能得到精確解。"更重要的是，新方程揭示了溫度的雙重起源：熱壓縮性和熱渦度。熱壓縮性描述聲子能量密度隨溫度梯度的變化，熱渦度則描述流體在某一點的旋轉(zhuǎn)運動。這兩個概念此前從未被正式定義，如今成為描述反常熱流的核心變量。

研究者指出，流體壓縮性越低，回流效應(yīng)越明顯。這為尋找室溫下的負(fù)熱阻材料指明了方向。如果能夠 stabilise（穩(wěn)定）這種效應(yīng)，或者找到在更高溫度下表現(xiàn)出強流體動力學(xué)特征的材料，熱管理技術(shù)將迎來顛覆性變革。

回顧熱輸運研究的歷史脈絡(luò)，我們正站在轉(zhuǎn)折點上。19世紀(jì)的傅里葉定律描述了擴散傳熱，統(tǒng)治熱學(xué)一百多年。21世紀(jì)以來，隨著石墨烯等二維材料的興起，聲子流體動力學(xué)從理論預(yù)言逐步走向?qū)嶒烌炞C。2020年的VHE方程是重要里程碑，而此次的解析解則標(biāo)志著該領(lǐng)域從數(shù)值模擬時代進入精確調(diào)控時代。

特別值得注意的是，中國在石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面全球領(lǐng)先。華為、比亞迪等企業(yè)已建立專門的石墨烯熱管理研發(fā)線。這項關(guān)于熱回流的新理論，為中國在高端芯片散熱、高功率電池?zé)峥氐?卡脖子"領(lǐng)域提供了彎道超車的理論武器。如果將這種負(fù)熱阻效應(yīng)引入消費電子，未來手機或許能在發(fā)熱時自動將熱量"泵送"到特定散熱區(qū)，徹底告別燙手困擾。

Di Lucente, E., et al. (2026). Vortices and Backflow in Hydrodynamic Heat Transport. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/g9dx-hjyn

arXiv preprint: DOI: 10.48550/arxiv.2501.16580

National Centre of Competence in Research MARVEL, EPFL. (2026, February 10). When heat flows backwards: A neat solution for hydrodynamic heat transport. Phys.org.