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田芝婷:當熱能流動可以控制,她將改變人類利用能源的方式

2019-04-10    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:2019年1月21日,《麻省理工科技評論》公布了2018年“35歲以下創新35人”(Innovators Under 35 China)中國區榜單。從榜單中,我們看到更多中國創新科研力量的崛起
 2019年1月21日,《麻省理工科技評論》公布了2018年“35歲以下創新35人”(Innovators Under 35 China)中國區榜單。從榜單中,我們看到更多中國創新科研力量的崛起,也看到跨學科、跨領域、并且對落地應用有更強烈企圖心與使命感的科研創新,這其中涵蓋人工智能研究與應用、NLP、腦科學、新材料、新能源、生命科學、生物科技、自動駕駛等多個不同領域。我們將陸續發出對35位獲獎者的獨家專訪,介紹他們的科技創新成果與經驗,以及他們對科技趨勢的理解與判斷。
關于Innovators Under 35 China榜單
 
自 1999 年起,《麻省理工科技評論》每年都會推出“35歲以下創新35人”(Innovators Under 35 China)榜單,旨在于全球范圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神,以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家,共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017年,該榜單正式推出中國區評選,遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆榜單正在征集提名與報名,截止時間2019年5月31日。
 
田芝婷:當熱能流動可以控制,她將改變人類利用能源的方式
如果說人類對電力的利用宣告了現代的到來,那么對熱的使用則標志著文明的誕生。從遠古人對火的馴服,到瓦特改良蒸汽機讓熱為世界提供動力,再到如今空調里吹出來冷風熱風,熱能陪伴了整個人類文明的進程。
 
但與此同時,熱也是最難控制的。與電不同,熱是由廣譜的振動模式傳播的,攜帶熱的能量粒子既沒有質量,也不帶電荷,不能通過外加電磁場來進行控制。因此,我們可以通過計算和實驗,弄明白熱傳播的方向和大小,但卻無法像電路里的開關、二極管等器件一樣,調控熱量傳播的過程。因此,如果可以實現像控制電子一樣按照需求控制熱,就意味著深遠地改變熱能工程的面貌,并從根本上更新人類利用能源的方式。
 
田芝婷就是在這個極其前沿的領域做出了重要的貢獻。她用獨特的思路和方法,使用全新的材料,實現了與電路中的二極管和開關相類似的聚合物熱敏二極管和熱開關,為人類馴服熱的流動邁出了重要的一步。相關的研究成果,有望對熱能轉換與熱能管理產生重大的影響。
 
田芝婷出生于一個教師家庭。從小,父母就告訴她不要死讀書,讀死書,而是要活學活用、觸類旁通,要真的從概念上搞清楚一個知識的本質是什么,而不是依靠題海戰術。這讓她一直覺得,讀書就是一件開心的事情,而好的成績只是自然而然的結果。直到現在,只要讀到一篇新論文或弄懂了什么新知識,她都會打心眼里覺得開心,可以在充分放松的心態下,激發出全新的想法。她也把這種理念貫徹到了對自己孩子的教育上,兩個學齡前的小朋友,已經每天纏著媽媽給他們講量子物理了。考上清華之后,田芝婷的母親叮囑她,除了GPA,更重要的是“你得要開心”。于是,她做了許多自己喜歡的事情——比如開創了一個一直延續到現在的志愿者支教項目,比如自信地用不太標準的普通話主持一千多人參加的大型活動。
 
不過有一件事情,田芝婷直到很久后才想通:這輩子要不要一直做科研。2011年,已經在麻省理工學院陳剛教授課題組攻讀博士學位的田芝婷,在一次暑期課程的學習中遇到了美國西北大學的教授、麻省理工校友曹簡。田芝婷向她提出了自己的困惑:從事科研,會不會無法平衡自己的工作和家庭?作為兩個孩子的母親和卓有成就的科學家,曹簡用自己的親身經歷告訴她,只要你想做,就可以兼顧工作和家庭。而且,搞科研的人,可以用自己的研究造福人類。就這樣,受到了鼓勵的田芝婷做出了投身科研的決定,而這個決定也得到了導師陳剛教授和她的先生的大力支持。
 
于是,在博士畢業之后,田芝婷成功申請到了弗吉尼亞理工大學的助理教授職位,開始了她在聚合物可調控熱敏材料方面的研究。本科期間學習核物理的田芝婷,先后在碩士和博士階段通過復雜的聲子和電子傳輸計算模擬和實驗研究過無機物中的納米傳熱和復雜的聲子和能量轉換。聚合物對于她來說,是一個相對陌生的領域,但卻“好像有很多很有意思的新東西,因為多了很多可調控的旋鈕”。
 
聚合物夠復雜,這為完全理解其性質造成了挑戰,卻也為實現更多的可調控性帶來了便利。雖然傳統觀念認為聚合物僅僅是熱絕緣體,但隨著研究的推進,田芝婷發現了兩個十分有趣的現象:不對稱聚合物的熱整流現象和溫敏型聚合物中的熱開關現象。
 
具體而言,在形狀類似于圣誕樹的大分子中,她發現了全新的機制,可以將熱整流的效果提升至令人驚訝的程度。而熱流大小隨著方向改變的趨勢,跟之前在無機非對稱納米材料里的正好相反。所謂的熱整流,指的是熱導隨著傳熱方向的不同而改變的現象,在極限情況下能實現單向熱傳導,是聲子信息器件中最核心的現象。她進一步發現,從寬端到窄端的傳熱方式是完全不同的。這些發現為發展納米有機熱敏二極管開辟了新的道路。而在熱開關方面,田芝婷首次發現了溫敏型聚合物的熱導率會在跨過轉變溫度時快速而明顯地發生改變。這個工作為通過高階相變實現快速熱開關提供了一個全新的方法。這些發現將對太空技術、智能建筑、能量存儲系統以及熱計算機領域的革新帶來巨大的影響。談到最遙遠的未來,田芝婷認為,也許有一天,我們甚至可以用熱來做通信。既然光和電都可以,為什么熱不行?熱力學這門古老的學科,在田芝婷這樣的年輕科學家這里,正煥發著最耀眼的新生命。
 
 
 
關鍵詞: 新能源
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