扩散性对胶体纳米晶超晶格及纳米流体热输运性能的影响机制研究

本研究针对纳米晶(NCs)复合材料中扩散性对热导率(TC)的影响机制不明确的问题，通过Green-Kubo平衡分子动力学(GK-EMD)方法系统分析了纳米流体和胶体NC超晶格的热输运特性。研究发现：当扩散系数超过10?5 ?2/ps时，未修正的热通量公式会使TC计算结果虚高600倍；而低于该阈值时则导致热通量波动加剧。通过引入部分焓修正，研究人员首次揭示纳米流体TC由近表面两层流体振动失配主导，并证实胶体NC超晶格在400K时扩散贡献不足TC的10%。该成果为多组分系统热导率精确计算提供了方法论指导，发表于《Applied Surface Science Advances》。

　　

在能源转换、电子散热和生物医学等领域，纳米晶(NCs)复合材料的热管理性能直接决定器件效率与寿命。这类材料通过将NCs嵌入基质可形成胶体超晶格或分散于基液构成纳米流体，其热导率(TC)调控是当前研究热点。然而，NCs的扩散行为如何影响热输运仍存在两大谜团：一是传统Green-Kubo平衡分子动力学(GK-EMD)计算中，原子扩散可能引入虚假热通量；二是纳米流体增强机制中，界面振动耦合与质量输运的竞争关系尚未厘清。更棘手的是，现有研究对胶体超晶格中集体振动模式的贡献存在争议，部分工作报道的TC温度依赖性甚至相互矛盾。

为破解这些难题，研究人员设计了一套精妙的跨尺度研究方案。通过调节NCs质量实现扩散系数跨越8个数量级(10^?8-1 ?²/ps)，结合改进的GK-EMD与非平衡分子动力学(NEMD)方法，系统对比了铜-甲烷纳米流体和PbS胶体超晶格的热输运特性。关键技术包括：采用LAMMPS软件包进行大规模原子模拟；通过部分焓修正消除扩散引起的虚假热通量；基于速度自相关函数计算扩散系数；利用傅里叶变换分析振动密度态(vDOS)。

扩散性对TC的影响机制
研究发现扩散系数阈值(10^?5 ?²/ps)将NCs复合材料分为两个区间：高于阈值时，未修正热通量公式使铜纳米流体TC虚高达600倍；低于阈值时，PbS超晶格的热通量波动增加90%。通过部分焓修正，两者不确定性均降至10%以下。在α-Li₂S超离子体系验证中，该修正使对流项贡献从95%降至40%，证实方法的普适性。

纳米流体的TC调控机制
通过分解甲烷分子层状结构发现，距离NC表面4?的Layer 1与相邻3?的Layer 2间的vDOS重叠度决定TC。当NC质量缩放因子为0.75时，层间振动失配最大，导致TC出现极小值(0.2 W/m-K)。这一发现颠覆了传统认知——NC/流体界面直接振动耦合的主导地位，首次明确近界面流体层间相互作用的关键作用。

胶体超晶格的温度依赖性
在3×8×1 PbS超晶格中，400K时扩散贡献仅占TC的10%。研究澄清了前人结论分歧源于HCACF积分方法差异：简单求和法错误呈现TC随温度下降趋势，而梯形/辛普森法则与NEMD结果吻合。通过四组分焓修正，50K时热通量波动频率分析显示，硫原子扩散(5.57 THz)是高频噪声主要来源。

这项研究建立了扩散性影响热输运的定量判据，为多组分材料热设计提供理论工具。其方法论创新解决了长期存在的TC计算偏差问题，而纳米流体界面机制的发现为高效换热材料开发指明新方向。对于胶体超晶格，研究否定了低温集体振动模式的显著贡献，为后续声子工程研究扫清认知障碍。这些突破不仅推动热管理材料发展，对超离子导体、钙钛矿等扩散主导体系的研究也具有重要借鉴意义。