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晶格熱導率κ是所有固體固有的屬性，具有重要的技術(shù)影響。電子設(shè)備需要高κ以降低熱負荷，碳的同素異形體是首選材料。同位素控制是抑制攜帶熱量的晶格振動（聲子）散射的關(guān)鍵，用于渦輪葉片的能量收集和熱障涂層的熱電模塊需要低κ以保持溫度梯度。熱導率低于石英玻璃(0.9 W K^-1m^-1)的材料尤其令人感興趣，石英玻璃用于日常隔熱。

晶體材料的熱導率不能任意低，因為固有極限取決于聲子色散。可以通過降低聲子散射長度或聲子群速度來減少聲子熱傳輸，其長波長極限是材料的聲速。散射長度由內(nèi)在（聲子-聲子散射，通過非諧性增強）和外在（例如，缺陷或邊界散射）機制決定，而群速度由聲子色散控制，聲子色散是材料固有的，因為它是由結(jié)構(gòu)和組成定義的。因此，許多研究已經(jīng)解決了通過納米結(jié)構(gòu)和缺陷工程來減少外在聲子散射長度的問題。然而，聲子散射長度的下限是波長的一半，低于該值的振動不能再被視為聲子。這為許多材料在高散射區(qū)接近的熱導率設(shè)定了漸近高溫極限。該限制本質(zhì)上由整個聲子色散決定，而不考慮熱傳導機制，并設(shè)置了所有溫度下可及κ的尺度。成功的材料設(shè)計策略將通過設(shè)計由單元級結(jié)構(gòu)定義的總聲子色散來降低κ的漸近極限。

英國利物浦大學的Matthew J. Rosseinsky和Jonathan Alaria等人在Science發(fā)表最新成果，Low thermal conductivity in a modular inorganic material with bonding anisotropy and mismatch，報道了具有史上最低熱導率的材料。

作者使用互補策略來抑制縱向和橫向聲子對包含不同類型內(nèi)在化學界面的層狀材料中熱傳輸?shù)呢暙I。作者使用固態(tài)化學技術(shù)，在層狀范德華晶體Bi₂O₂Cl₂和Bi₂O₂Se以及天然超晶格Bi₄O₄SeCl₂中合成了高度各向異性、有序無序的結(jié)構(gòu)。他們沒有控制材料中原子的有序性（材料工程的一種常見途徑），而是操縱層間原子之間的鍵強度和連接性。在晶體中，與原子獨立移動相比，聲子模式以更高的效率引導熱量。他們設(shè)計了鍵合模式來操縱聲子的傳播速度。通過調(diào)整材料的界面和晶胞的選擇，他們可以選擇他們的晶體允許通過的聲子類型，從而產(chǎn)生極低的熱導率。沿其堆疊方向，在室溫下達到0.1 W K^-1 m^-1的極低熱導率，該值在空氣熱導率的四倍以內(nèi)。

作者證明了對不同界面空間排列的化學控制可以協(xié)同修改振動模式以最小化熱導率。這些原理應(yīng)該適用于其他系統(tǒng)，并提供一種開發(fā)具有極低熱導率的晶體的方法。

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Science：突破極限，史上最低熱導率的材料！