「编者按」为了鼓励和表彰在能源、动力领域对科学技术发展做出突出贡献的单位和个人，充分调动广大能源、动力领域科技工作者的积极性和创造性，促进能源、动力科学技术事业发展，经向国家科技奖励办公室备案，中国工程热物理学会科学技术奖自2023年首次举办，并初见成效。首届获奖项目包括自然科学奖、技术发明奖，涵盖工程热力学、热机气动热力学、燃烧学、传热传质学、流体机械、多相流等各个分支学科。
现对首届获奖项目成果进行系列专栏展示，敬请关注！同时，2024年报奖工作正在进行中，欢迎广大高校、科研院所、企业的科研工作者及技术人员积极申报。
一 、获奖项目
项目名称
纳米结构热量转换和输运的界面效应
获奖等级
自然科学二等奖
主要完成单位
清华大学
中国石油大学（北京）
主要完成人
马维刚，樊傲然，缪婷婷，张兴
二 、成果简介
纳米结构热量转换与输运是微纳电子器件热管理、微纳器件自供能等国家重大战略需求的关键共性基础科学问题。纳米结构由于巨大的比表面积，在构筑微纳米器件时会形成极高密度界面。界面处配位原子缺失和晶格畸变，界面处的杂质、缺陷，界面态和界面能级调整及界面对离子的阻挡效应，都会显著影响纳米结构的热量转换和输运。
本项目聚焦“纳米结构热量转换和输运的界面效应”这一关键科学问题，揭示了离子型热电转换中传质的界面效应和传质与传热的耦合机制，揭示了界面效应对纳米材料到其宏观体热输运性质影响的物理机制。作国际大会特邀报告10次，代表性论文包括Nature Communications，Nano Energy，ACS Nano，Cell Reports Physical Science，Nano Research，International Journal of Heat and Mass Transfer等期刊，国际知名期刊Joule在其Previews整篇推荐并评价代表性论文“Ionic Seebeck coefficient and figure of merit in ionic thermoelectric materials (Cell Reports Physical Science, 2022, 3:101018)”“由于建立了评价材料热电性能的平台，这篇论文将无疑推动整个离子热电领域研究的发展（By establishing a platform to calculate the performance material, this article will definitely facilitate the investigation and development of the field of ionic thermoelectrics.(Joule, 2022, 6: 1976-1978)）。”
项目组成员获得2018年国际传热传质中心三大学术奖之一的Hartnett-Irvine Award，2019、2022 年亚洲热物性青年科学家奖，2022年亚洲热科学与工程联合会青年科学家奖，2020年日本机械学会热工学“国际成就奖”等。
三 、主要创新点
1. 离子型热量转换中的界面效应（传质主导）
1.1 揭示了固态离子热电中离子在聚合物链间的温差驱动“络合-解络合-再络合”跳跃传输机制，将固态离子盐加入聚合物，开发出全固态离子热电，塞贝克系数达到20mV/K，并通过引入强电负性大分子成功调控至N型（-6mV/K），并揭示了其P/N型和伊士曼迁移熵的关系。
1.3 实验发现并建立了纳米通道界面影响水流的空间分异理论：1.0nm以下为链状区，1.0-1.3nm为过渡区，界面粘滞力占主导；1.3nm以上为流体区，界面影响与流动阻力影响博弈。基于温度差/湿度差耦合驱动动电效应及纳米通道界面影响水流的空间分异理论，设计制备了氧化石墨烯多层级孔热电-蒸发耦合发电器件，110K温差，0.5mL水可产生2.13V电压。
2 纳米结构热量输运中的界面效应
2.1 一维纳米结构及宏观体中热输运的界面效应：实验测量了单根碳纳米管、碳纳米管束、碳纳米管阵列的热导率，发现热导率依次降低约1个量级，揭示了其下降机制是：碳纳米管宏观体中有效填充率低、碳管绕曲/不连续、杂质缺陷和管间界面影响，导致碳管宏观体热输运性能显著下降。
2.2 二维纳米结构界面热输运的直接观测：飞秒激光脉冲直接入射薄膜-基底间界面进行加热-探测，高时间分辨发现了界面应力波和导热的叠加效应，建立了界面效应叠加模型，同时获得薄膜/基底间界面导热和应力波的传播性质；飞秒级时间分辨直接观测到石墨烯/基底界面的载能子超快耦合过程，建立了超快耦合方程，获得了石墨烯/铜界面声子耦合系数。
四 、应用场景
研究成果应用于柔性高性能微型热发电器件制备，高灵敏度传感器开发及芯片热设计关键技术中。和华为、中兴、华大九天等公司开展了深入合作，开展了高时空分辨率温度和应力测量系统开发，基于界面效应的FCBGA芯片内部热阻分析与优化，可靠性热分析传递模型优化等。
