石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，被许多人誉为材料科学中的“下一件大事”。但据普渡大学研究人员称，其热性能可能并不像之前想象的那么具有革命性。

“石墨烯是人类创造的第一种二维材料，”机械工程学教授阮秀林说。“它基本上是一层碳，一个原子厚。它于2004年首次被发现，并于2010年获得诺贝尔物理学奖。从那时起，它因其独特的性质而受到许多研究人员的研究。”

例如，据说石墨烯的导电性能比科学上已知的任何其他材料都要好，并且以其材料强度而闻名。热传输研究人员也很快授予它最佳热导体的称号。

“以前，人们认为导热系数最高的材料是金刚石，”博士生ZheruiHan说。阮实验室的学生。“这是一种能够以最快的速度传递最多热量的材料。但是当石墨烯问世时，主流研究表明它比钻石要好得多。”

导热系数以瓦每米每开尔文测量。在此范围内，钻石的热导率通常被认为约为2,000。但当科学家开始测量石墨烯的导热系数时，早期估计达到了5000以上。显然，这引起了像阮这样的科学家的兴趣，他们的研究重点是传热。

“然而，随后的实验测量和建模已经改善了石墨烯的导热性，”阮说。“最近的论文使这个数字达到了3,000左右，这仍然比钻石好得多。但我们发现了一些完全不同的东西。”

阮的团队预测石墨烯在室温下的导热系数为1,300W/(m·K)——不仅低于金刚石，也低于制造石墨烯的石墨原料。

他们的研究发表在《PhysicalReviewB》上。

他们的工作与之前的工作之间的差异归结为一种称为四声子散射的现象。声子是传热科学家在量子力学水平上描述固体中热量运动的方式。直到最近，研究人员只能理解三声子散射来预测固体中的热量传递。

但在2016年，阮的团队发展了四声子散射的一般理论，一年后他们成功量化了四声子散射。这使得阮于2023年获得了国际语音学会颁发的最高荣誉。

那么，这与石墨烯有何关系?“石墨烯是一种只有一个原子厚度的二维材料，”韩说。

“之前的研究表明，三声子散射会受到这种二维性的限制，这在理论上使石墨烯比块状材料的导热性更高。但是四声子散射并不受石墨烯的二维性质的限制;事实上，效应相当强。我们的工作表明，与三声子散射相比，四声子散射成为石墨烯中主要的散射通道。这是一个惊人的结果。”

这一发现的一个障碍是原始计算能力的可用性。计算这种四声子散射需要并行计算策略，本质上是利用具有1TB内存的计算集群。这是在普渡大学罗森高级计算中心完成的。

目前，这些计算都是理论上的。该团队与德克萨斯大学奥斯汀分校的李石教授合作，在美国国家科学基金会合作资助的支持下，通过实验验证了这一发现。之前对石墨烯的测量有很大的误差线，需要减小误差线来验证他们的理论。他们还计划预测多层原子石墨烯的热导率，而不仅仅是一层原子。

阮说：“由于尚未进行实验验证，我们知道社区会对这种非常非主流的预测持怀疑态度。”

“2017年，当我们预测砷化硼的类似方面时，我们也面临着同样的怀疑。幸运的是，这一预测在一年后得到了三个重要实验的证实。从那时起，我们的四声子散射理论得到了越来越多的实验证据的支持，我们希望这一次也适用于石墨烯。我们将我们的软件开源，以便其他科学家可以测试四声子理论。

ZheruiHan在GitHub上发布了他的四声子热导率求解器，并发表了一篇描述该软件用法的论文。任何传热科学家都可以使用该软件进行类似的研究。

“石墨烯是第一个二维材料，很多人认为它就像魔法一样，”韩说。“它被认为具有所有这些优越的特性：热、机械、光学、电。作为热研究人员，我们的工作就是确定这部分是否真实。石墨烯仍然是一种良好的热导体，但我们的工作预测它并不比它更好钻石。”

“我总是说例外是科学前进的方式，”阮说。“我们对我们的发现持谨慎乐观的态度。通过四声子散射，我们希望将来能够对这些材料进行更准确的理论评估。”

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