“飞秒成像”—记录热量在材料内的传播过程

材料牛注：明尼苏达大学的研究人员采用最先进的超快电子显微镜首次记录下了热量以音速穿过纳米尺寸材料的视频，这对理解材料内部的运动具有重要意义，有利于设计研究出用途更广泛的材料。

能量具有多种形式，其中热是最其常见的形式之一。热能是诸如电力传输以及交通运输等重要场合中能量损失的最主要形式。例如，汽车中汽油的能量室友70%以热的形式损耗掉的。因而，在公共基础设施建设时往往会考虑到散热等问题。

材料科学家和工程师们早已开始研究如何在原子层面上控制热能，希望能够将热能进行循环使用、提高能量使用效率，并最终减少化石燃料的使用。只有了解了热量穿过材料的过程,研究才会有进一步突破。不尽如人意的是捕获热量运动这一基本物理过程的成像并不是件易事。这是因为热量成像时分辨率应在纳米尺寸上，而热运动的速度却达数英里每秒，这无疑给成像带来了巨大的困难。

为了解决出现的难题，对热能的运动进行成像，研究人员使用了一种先进的超快电子显微镜。它能在数飞秒内检测到材料内部原子和分子尺度的运动。在这项研究中，他们用一个简易的激光脉冲激发电子，这也快速加热了联硒化钨和锗晶体。就此，他们捕获到了热能波穿过晶体的慢动作视频。

波阵面穿透材料的过程看起来就如同石头掉入水中泛起的涟漪一般。视频中显示的波是以6纳米/皮秒的速度移动。映射的振动能量，也即是声子，它对详细理解热运动的本质有很重要的作用。

科学家们想了解、控制、以及利用热运动，期望精确引导它去完成有用的工作以及将它快速从敏感组件移走。由于热运动在时间尺度极快，在空间尺度又极微小，因为充分了解材料内部的热运动都是极其困难的。

此次观察到波阵面运动的视频将有助于我们理解其内部运动。它对单个原子在振动所扮演的角色和纳米尺度特性提供了一个全新的认识，这可以帮助工程师更好的设计出用途更广泛的材料。

该项研究最近已发表在Nature Communications上。

全文参考链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160415125941.htm

感谢材料人网编辑部黄语嫣供稿！