原文标题：对华裔科学家陈刚突破百年“黑体辐射定律”的一些粗浅介绍和认识

近百年来，几乎未有重大进展的传热学终于在新世纪初萌发了新芽。美国麻省理工学院(MIT)已于7月30日宣布，该校动力工程学华裔教授陈刚及其团队用实验证实了物体极度近距时的热力传导能力，打破了辐射传热的基本法则——普朗克黑体辐射定律。该成果发布在Nano letters上，题名为Surface Phonon Polaritons Mediated Energy Transfer betweenNano scale Gaps。

 

背景介绍

黑体辐射定律由德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的，描述辐射传热的基本法则。为解决经典力学无法解决的一些问题，普朗克在提出这一定律时把电磁波量子化。受其启发，爱因斯坦后来提出了光的波粒二象性。因此，可以说普朗克定律为现代物理学打开了大门。不过科学界一直怀疑此定律在物体极度接近时并不成立。普朗克本人曾于1905年表示，在物体距离与波长处于同一量级时，该定律可能并不适用。

此后建立波动电动力学理论基础上的近场辐射理论预测，支持表面声子极化激元(surface phonon polariton，不知我的中文翻译合适否，工科的理论物理基础还是差些)的介电材料间的近场辐射，可能会比普朗克黑体辐射定律所预测的高出几个数量级。几十年来，不少科学家力图通过实验证实普朗克定律的局限性，但一直未取得突破。

 

早期实验设计及难点

实验中设置两个平行板，使它们的间距为纳米级是非常困难的。

 

陈刚团队实验设计及创新

在陈刚团队设计的实验中，使用了微球(SiO₂)和衬底平板，这样，即便微球与平板接触，也只有一个接触点，从这一点开始，微球与平板分开，从而构成所需的纳米级间距。

微球直径为50或100微米。选择二氧化硅制作微球的原因有两点：1.可以在较大直径范围内具有很好的球状；2. 它支持表面声子极化激元。

衬底平板被平整地固定在压电式运动控制器上，能使微球和衬底平板的间距降至10 nm以下。

 

测量技术、装置创新应用

陈刚团队改进了双金属(Si₃N₄/Au)原子力显微镜(AFM)悬臂梁技术，用来测量微球和衬底平板间的近场辐射传热，这种技术非常灵敏和新颖。

原子力显微镜的悬臂梁有两层，一层是金属，另一层是氮化硅薄膜。即使温度变化轻微，二者的热膨胀和所产生的应力也不一样，悬臂梁就会偏转，此时利用激光测试偏转的角度，便可测算出辐射的大小。

 

A diagram of the setup, including a cantilever from an atomic force microscope, used to measure the heat transfer between objects separated by nanoscale distances.(转自MIT网站)

提高测量精度的措施

1)安装方式：微球被连接在双金属AFM悬臂梁的一端。悬臂梁垂直于衬底平板安装，这样可以减少实验过程中Casimir力和静电力造成的悬臂梁弯曲。 

2)空气传热：整个核心实验装置被放置于真空室内，当真空室内气压低于10^-3 Pa时，可忽略微球与衬底平板间的空气导热。 

Professor Gang Chen with the vacuum chamber used in this research.(转自MIT网站)

 

3)远场热辐射：实验中，由于微球处于很大的真空室，且真空室的温度维持恒温，所以微球的远场热辐射损失是一常数。当微球温度改变10^-2 K时，测量的近场热辐射量约改变100 nW，而相应的远场热辐射量约改变1 nW。因此，这种测温技术只对近场热辐射灵敏有效。

4)激光功率：为定量测量和修正Casimir力和静电力效应对测量的影响，实验中使用了一个低功率非常的激光，从而最小化微球和衬底平板间的温差(<1 K)和近场热辐射。

 

实验巧妙的创造了当前技术条件下可实现的纳米间距；新测量技术和装置以及四条提高测量精度的措施保证了整个实验的完整、严谨和精确。我认为以上此文的精髓。陈刚团队的实验结果表明：The corresponding heat transfer coefficients at nanoscale gaps are 3 orders of magnitude larger than that of the blackbody radiation limit！

 

我对这篇文章非常欣赏，一方面，它的巧妙设计和技术集成都非常优秀；另一方面，虽然它几乎未涉及一点所谓的理论创新，也没有技术或装置的发明和改进，仅仅是一个实验报道，但却正因为它仅仅是一个实验报道，将扎实、实在体现得淋漓尽致。这种“实在”，在当前我国所发文章中，太稀罕了！ 

 

此文刊登于Nano Letters. 2009,Vol.9,No.8

MIT网站的相关报道链接：http://web.mit.edu/newsoffice/2009/heat-0729.html

中文较好的报道链接：

http://www.edu.cn/zhuan_jia_ping_shu_1113/20090806/t20090806_396650.shtml

http://news.hustonline.net/html/2009-8-2/64483.shtml

 

陈刚简历

1984年     华中工学院学士(现华中科技大学)

1985年     华中工学院硕士(现华中科技大学)

1987年     美国伯克利加州大学博士，导师田甘霖(美国名校中的第一任华裔校长)

先后任美国杜克大学和普渡大学教授，2000年起任MIT教授。现担任ASME先进纳米协会主席，数十次担任美国权威刊物编委和学术会议主席。在纳米热发电、制冷材料和太阳能发电材料方面获得美国专利多项，先后获美国国家和宇宙航行局，ASME最佳论文奖，学术成果卓著。

个人主页http://meche.mit.edu/people/?id=15

 

关于近场辐射等方面的研究可参见：

Polder, D.; Van Hove, M. Phys. ReV. B 1971, 4, 3303.

Mulet, J. P.; Joulain, K.; Carminati, R.; Greffet, J. J. MicroscaleThermophys. Eng. 2002, 6, 209.

Volokitin, A. I.; Persson, B. N. ReV. Mod. Phys. 2007, 79, 1291.

Pendry, J. B. J. Phys.: Condens. Matter 1999, 11, 6621.

Fu, C. J.; Zhang, Z. M. Int. J. Heat Mass Transfer 2006, 49, 1703.

 

关于双金属原子力显微镜悬臂梁的研究可参见：

Barnes, J. R.; Stephenson, R. J.; Welland, M. E.; Gerber, C.; Gimzewski, J. K. Nature 1994, 372, 79.

Majumdar, A. Annu. ReV. Mater. Sci. 1999, 29, 505.

 

关于陈刚团队的实验装置的报道可参见：

Narayanaswamy, A.; Shen, S.; Chen, G. Phys. ReV. B 2008, 78,115303.

Shen, S.; Narayanaswamy, A.; Goh, S.; Chen, G. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 63509.

以上内容为转载：http://user.qzone.qq.com/342421061/blog/1250345330

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