【期刊】【物理学报】专题 | 纳米工程和热物理（I）
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从燧人氏钻木取火开始，人类文明的发展就和“热能”息息相关。现代科技史上，瓦特改良的蒸汽机奠定了工业革命。1822年，傅里叶提出导热定律和传热方程的数学解法，由此发展的傅里叶变换广泛应用在诸如音频、图像处理等众多领域。到了 20世纪初，普朗克关于黑体辐射的研究成为量子力学的开端。2020年开始的新冠病毒疫情之后，利用高温杀灭空气中的病毒也获得不少关注。
作为一个历久弥新的学科，在科技发展日新月异的今天，关于热的基础研究和前沿应用也在不断推进。2005年，《科学》杂志在创刊 125周年之际提出的 125个科学前沿问题中，就包括地球这个巨系统的热能平衡问题:“温室效应会使地球温度上升多高? ” 2021年，日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”的相关研究获得诺贝尔物理学奖。同年，上海交通大学携手《科学》杂志再次提出了 125个科学新问题，特别关注了“物质传热的极限是什么? ”这个热物理的基础问题。可以预见，对于热物理深层机理的研究必将引发新的技术革新。
在电力紧缺的今天，全球约 60%的能源都以废热的形式白白浪费。从这个角度来讲，热物理的进展对于我国最近强调的“碳达峰、碳中和”至关重要。根据这一战略目标，我国力争于 2030年二氧化碳排放达到峰值，2060年实现碳中和。“双碳”目标与我国建成社会主义现代化强国的第二个百年奋斗目标相呼应。“十四五”作为“双碳”目标提出后的第一个五年规划期，也是实现“双碳”目标的关键期和窗口期。要实现这一伟大目标，必须以能源科技创新为先导。
而在利用的和废弃的能源中，占比最大的都是热能。关于热能的研究涉及材料、电子器件、生物、能源等诸多学科，纳米工程的引入为热物理的进展注入了新的活力。除了废热回收，微纳米电子器件、电池中的过热问题会直接影响其性能和使用寿命，成为 5G、量子计算、芯片、电动汽车等国家战略技术领域目前的研究热点。作为工程应用的基础，我们对于热物理、尤其是纳米工程中热物理的认知还是远远不够的。因此，物理、工程、材料、电子等多学科的交叉研究将在上述新兴领域大有用武之地。
鉴于纳米关键热物理问题研究的挑战性与紧迫性，《物理学报》特组织本专题，并邀请国内外活跃在相关领域前沿的中青年专家撰稿，从多个角度、跨学科、深入浅出地介绍最新热点研究成果并探讨基础科学和工程应用中的问题，包括仿生辐射制冷、导热智能材料及应用、纳米相变材料与储热、量子技术需要的稀释制冷机、固体锂电池热管理、第三代半导体和芯片热管理、声子弱耦合与热输运和热调控等。
在此，我们乐于和读者分享这些热物理的前沿进展，也希望这些工作在不久的将来会深刻地影响人类的生活。
专题最新录用的文章已在《物理学报》第23期刊出，后续文章将陆续刊登，敬请关注。
客座编辑
郝 磬 美国亚利桑那大学航空航天和机械工程系的副教授。研究重点是材料和电子设备中的纳米级能量传输，包括热电、高功率电子器件和二维材料。作为热电研究的团队成员获得过2008年R&D 100奖，2015年因石墨烯研究获得AFOSR 青年学者奖，2017年因晶界热研究获得美国自然基金 CAREER奖。2020年，成为亚利桑那大学工程学院Craig M. Berge院长基金的首批资助者。
杨 诺 2000年于中国科技大学近代物理系取得学士学位。2003年于中国科学院上海应用物理所取得硕士学位。2008年于新加坡国立大学物理系取得博士学位，导师李保文教授。2009年至2011年分别在新加坡国立大学物理系李保文教授和麻省理工学院机械工程系陈刚教授课题组进行博士后研究。2012年1月至2013年12月任同济大学物理科学与工程学院研究员。2014年1月至今任华中科技大学能源与动力工程学院教授。获得过日本学术振兴会访问学者、楚天学者特聘教授、上海浦江人才、湖北省自然基金（杰出青年）等人才计划项目。主持过国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目。中国物理学会青年工作小组委员，中国物理学会与中国科学院物理研究所“四刊”（CPL、CPB、《物理学报》和《物理》）青年编委。主要研究方向为新兴交叉学科声子工程，包括微纳尺度传热、热能调控和转换、太阳能海水淡化等基础和应用研究。
专题文章
环球同此凉热——纳米工程和热物理专题编者按
物理学报. 2021, 70 (23): 230102
doi: 10.7498/aps.70.230102
原文链接：
https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.230102
稀释制冷机及其中的热交换问题
付柏山，廖奕，周俊
物理学报. 2021, 70 (23): 230202
doi: 10.7498/aps.70.20211760
原文链接：
https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20211760
摘要：在低温物理和量子信息科学等学科的研究中，持续保持稳定的mK级低温是至关重要的。稀释制冷机是用来获得极低温的制冷装置，它利用了超流态4He与其同位素3He的混合溶液在超低温下的相分离效应。热交换器的性能是决定连续循环工作制冷机性能的关键因素，在极低温下，氦与金属之间存在巨大的界面热阻(即卡皮查热阻)，利用多孔的烧结金属颗粒来提高接触面积，可以有效地解决热交换问题。因此，研究极低温下金属颗粒与液氦之间的热交换，并以此为指导研制高性能的银粉烧结换热器具有重要的应用价值。
第三代半导体材料及器件中的热科学和工程问题
程哲
物理学报. 2021, 70 (23): 236502
doi: 10.7498/aps.70.20211662
原文链接：
https://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.70.20211662
摘要：文章简要回顾了半导体材料的发展历史，并以基于氮化镓的高电子迁移率晶体管为例，介绍了第三代半导体器件的产热机制和热管理策略。以β相氧化镓为例，简单讨论了新兴的超宽禁带半导体的发展和热管理挑战。然后重点讨论了一些界面键合技术用于半导体散热的进展，同时指出这些器件中大量存在的界面散热的工程难题背后的科学问题：界面传热的物理理解。在回顾了之前界面传热的理论发展后，指出了理解界面传热当前遇到的一些困难、机遇和方向。
专题文章链接：
http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/topics
期刊专栏：https://www.koushare.com/periodical/periodicallist?ptid=114
文章来源：“物理学报”公众号
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