控制热流是很多技术的一大挑战。例如，在电子和光子器件中，散热可能会限制器件的性能和效率，还会制约它们进一步小型化的潜力。与此同时，由只有几个原子厚的层组成的二维（2D）材料已成为这些领域里很有前景的材料平台。例如，二维半导体有望用于未来晶体管的导电沟道。然而，它们的热学特性仍然难以预测和控制。
最近，由加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）、巴塞罗那自治大学（UAB）、埃因霍温理工大学（TU/e）和麦吉尔大学研究人员牵头的一支国际团队，发现了超薄材料中一种新的热输运机制。研究表明，在二维半导体中，特别是二硫化钼（MoS₂）和二硒化钼（MoSe₂）中，热会以一种全新的方式传导；这种机制称为水热弹性输运，在这种机制下，热扩散会受到极大阻碍。
这些发现发表在《自然·物理学》上，可能对开发器件热管理的新策略产生重大影响。
多种意外现象的组合
在正常条件下，热量会从高温区域逐渐扩散到低温区域。然而，在这些超薄材料中，会发生更复杂的效应。正如论文第一作者 Sebin Varghese 博士所说：“我们的研究结果挑战了传统的扩散热输运图景，揭示了超薄半导体中更丰富、更复杂的输运机制。”
其中发生的一种效应是声子流体动力学，即热量以集体方式传导，表现得像粘性流体。同时，加热会在材料中引起机械变形，这也会影响热量的移动方式。尽管这些类型的效应此前已知，但从未在这种材料中观察到。
这些现象的相互作用导致了意外行为：热量的传播速度远低于预测，热扩散率降低了高达一个数量级。
为了得出这些结论，研究人员使用了一种先进的光热技术，使他们能够以纳米级分辨率实时追踪热流。巴塞罗那自治大学物理系教授F. Xavier Alvarez领导了这项工作的理论部分，他指出：“我们首次观察到机械应力如何能够改变——甚至阻碍——材料中的热流。”
热流能否“反向”流动？
实验表明，在这些超薄材料中，热量在受热区域周围保持集中的时间比预期更长。这是因为加热会导致材料发生形变，从而改变热量在材料中的传播方式，甚至将热流推向意想不到的方向。
领导这项研究的Klaas-Jan Tielrooij教授（ICN2和TU/e）解释说：“最让我们惊讶的是，在某些条件下，热量会抵抗离开高温区域，这是由于存在从冷区指向热区的热通量贡献，而不是传统上从热区指向冷区的通量。这开辟了一种全新的内在控制热流的方式，无需改变材料的结构。”
这个发现让我们对纳米尺度下热量怎么传输有了新的根本性认识，还可能给设计带新功能的电子、光子、热电器件铺路。
能控制热量而不只是单纯把它散掉，对未来技术可能特别关键，不管是改善芯片的散热管理，还是让热电系统更高效。
更多信息： S. Varghese 等人，室温下超薄半导体中可控的水-热弹性热传输，Nature Physics (2026). DOI（数字对象标识符）：10.1038/s41567-026-03297-1
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