熱能作為一種基本的能源形式，在人類的能源使用形式中占比超過50%。如何在使用過程中減小熱量的損耗（Reduce），對廢熱進(jìn)行存儲(chǔ)再利用（Reuse），以及將熱量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌哪茉葱问剑?/span>Recycle），被認(rèn)為是解決當(dāng)前能源問題的有效途徑之一。該類技術(shù)簡稱熱的3R 技術(shù)，其中材料的熱導(dǎo)率為決定其性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在絕緣體中，晶格的振動(dòng)，或聲子（phonon）為熱量的主要載體。聲子在納米結(jié)構(gòu)材料的表面及不同材料間的界面會(huì)發(fā)生散射，從而改變傳輸方向，進(jìn)而影響材料的熱導(dǎo)率。理解納米結(jié)構(gòu)材料中聲子的傳輸規(guī)律，將有助于理解其內(nèi)在的導(dǎo)熱機(jī)理，從而促進(jìn)熱的3R 技術(shù)。然而，由于材料中導(dǎo)熱聲子的廣譜特性以及納米材料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，目前市面上尚無針對納米結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)熱性質(zhì)進(jìn)行模擬的成熟軟件。基于此目的，東京大學(xué)塩見淳一郎教授，邵成博士后，以及課題組內(nèi)其它成員，共同研發(fā)了一套基于Monte Carlo 粒子追蹤的任意結(jié)構(gòu)納米材料熱導(dǎo)率模擬軟件（Simulator for phonon transport in Arbitrary Nano-Structure, P-TRANS）。該項(xiàng)目受日本New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) 及Thermal Management Materials and Technology Research Association (TherMAT) 項(xiàng)目資助。該軟件的整體工作流程如圖1所示。

圖1 P-TRANS 的整體工作流程

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該軟件采用第一性原理計(jì)算得到的聲子頻譜特性作為輸入，同時(shí)利用軟件自帶的圖形界面（GUI）或者第三方CAD 軟件來設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)模型。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，只需要在該軟件上點(diǎn)擊運(yùn)行Monte Carlo 粒子追蹤程序，即可得到該納米結(jié)構(gòu)材料中的聲子頻譜特性，其中包括材料中聲子的有效平均自由程分布，不同頻譜聲子對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，以及熱導(dǎo)率隨聲子自由程的累積關(guān)系。這些信息對進(jìn)一步設(shè)計(jì)及調(diào)控材料熱導(dǎo)率起著重要作用。

該軟件的主頁網(wǎng)站為：http://www.phonon.t.u-tokyo.ac.jp/p-trans/?（點(diǎn)擊文章后面閱讀更多即可跳轉(zhuǎn)）。該網(wǎng)站提供針對不同操作系統(tǒng)的下載鏈接及詳細(xì)的使用教程，并提供多達(dá)60種材料基于第一性原理計(jì)算的聲子頻譜特性數(shù)據(jù)庫，歡迎大家下載使用。如在使用過程中有任何問題，也可以發(fā)郵件到：ptrans@photon.t.u-tokyo.ac.jp 進(jìn)行咨詢。

圖2 給出了基于該模擬仿真軟件的具體應(yīng)用。在P-TRANS 的幫助下，我們可以輕松模擬出多晶材料，納米多孔材料，薄膜，及納米線材料熱導(dǎo)率。該仿真軟件將大大提升新材料的設(shè)計(jì)，開發(fā)，及制造流程，同時(shí)為科研工作者進(jìn)一步理解微納米尺度聲子傳輸提供新工具。

圖2 基于P-TRANS的應(yīng)用舉例

相關(guān)參考文獻(xiàn)如下：

·?Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames, “Effective phonon mean free path in polycrystalline nanostructures”, Applied Physics Letters Vol. 106, 171901 (2015)

·?Makoto Kashiwagi, Yuxuan Liao, Shenghong Ju, Asuka Miura, Shota Konishi, Takuma Shiga, Takashi Kodama, and Junichiro Shiomi, “Scalable multi-nanostructured silicon for room-temperature thermoelectrics”, ACS Applied Energy Materials, 2, 7083-7091 (2019).