田芝婷:当热能流动可以控制,她将改变人类利用能源的方式 | 35岁以下科技创新35人榜单人物专栏

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田芝婷:当热能流动可以控制,她将改变人类利用能源的方式 | 35岁以下科技创新35人榜单人物专栏
麻省理工科技评论 2019-04-09

2019-04-09

谈到最遥远的未来,田芝婷认为,也许有一天,我们甚至可以用热来做通信。既然光和电都可以,为什么热不行?热力学这门古老的学科,在田芝婷这样的年轻科学家这里,正焕发着最耀眼的新生命。
35岁以下科技创新35人
谈到最遥远的未来,田芝婷认为,也许有一天,我们甚至可以用热来做通信。既然光和电都可以,为什么热不行?热力学这门古老的学科,在田芝婷这样的年轻科学家这里,正焕发着最耀眼的新生命。

2019年1月21日,《麻省理工科技评论》公布了2018年“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。从榜单中,我们看到更多中国创新科研力量的崛起,也看到跨学科、跨领域、并且对落地应用有更强烈企图心与使命感的科研创新,这其中涵盖人工智能研究与应用、NLP、脑科学、新材料、新能源、生命科学、生物科技、自动驾驶等多个不同领域。我们将陆续发出对35位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于Innovators Under 35 China榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届榜单正在征集提名与报名,截止时间2019年5月31日。

田芝婷:当热能流动可以控制,她将改变人类利用能源的方式

如果说人类对电力的利用宣告了现代的到来,那么对热的使用则标志着文明的诞生。从远古人对火的驯服,到瓦特改良蒸汽机让热为世界提供动力,再到如今空调里吹出来冷风热风,热能陪伴了整个人类文明的进程。

但与此同时,热也是最难控制的。与电不同,热是由广谱的振动模式传播的,携带热的能量粒子既没有质量,也不带电荷,不能通过外加电磁场来进行控制。因此,我们可以通过计算和实验,弄明白热传播的方向和大小,但却无法像电路里的开关、二极管等器件一样,调控热量传播的过程。因此,如果可以实现像控制电子一样按照需求控制热,就意味着深远地改变热能工程的面貌,并从根本上更新人类利用能源的方式。

田芝婷就是在这个极其前沿的领域做出了重要的贡献。她用独特的思路和方法,使用全新的材料,实现了与电路中的二极管和开关相类似的聚合物热敏二极管和热开关,为人类驯服热的流动迈出了重要的一步。相关的研究成果,有望对热能转换与热能管理产生重大的影响。

田芝婷出生于一个教师家庭。从小,父母就告诉她不要死读书,读死书,而是要活学活用、触类旁通,要真的从概念上搞清楚一个知识的本质是什么,而不是依靠题海战术。这让她一直觉得,读书就是一件开心的事情,而好的成绩只是自然而然的结果。直到现在,只要读到一篇新论文或弄懂了什么新知识,她都会打心眼里觉得开心,可以在充分放松的心态下,激发出全新的想法。她也把这种理念贯彻到了对自己孩子的教育上,两个学龄前的小朋友,已经每天缠着妈妈给他们讲量子物理了。考上清华之后,田芝婷的母亲叮嘱她,除了GPA,更重要的是“你得要开心”。于是,她做了许多自己喜欢的事情——比如开创了一个一直延续到现在的志愿者支教项目,比如自信地用不太标准的普通话主持一千多人参加的大型活动。

不过有一件事情,田芝婷直到很久后才想通:这辈子要不要一直做科研。2011年,已经在麻省理工学院陈刚教授课题组攻读博士学位的田芝婷,在一次暑期课程的学习中遇到了美国西北大学的教授、麻省理工校友曹简。田芝婷向她提出了自己的困惑:从事科研,会不会无法平衡自己的工作和家庭?作为两个孩子的母亲和卓有成就的科学家,曹简用自己的亲身经历告诉她,只要你想做,就可以兼顾工作和家庭。而且,搞科研的人,可以用自己的研究造福人类。就这样,受到了鼓励的田芝婷做出了投身科研的决定,而这个决定也得到了导师陈刚教授和她的先生的大力支持。

于是,在博士毕业之后,田芝婷成功申请到了弗吉尼亚理工大学的助理教授职位,开始了她在聚合物可调控热敏材料方面的研究。本科期间学习核物理的田芝婷,先后在硕士和博士阶段通过复杂的声子和电子传输计算模拟和实验研究过无机物中的纳米传热和复杂的声子和能量转换。聚合物对于她来说,是一个相对陌生的领域,但却“好像有很多很有意思的新东西,因为多了很多可调控的旋钮”。

聚合物够复杂,这为完全理解其性质造成了挑战,却也为实现更多的可调控性带来了便利。虽然传统观念认为聚合物仅仅是热绝缘体,但随着研究的推进,田芝婷发现了两个十分有趣的现象:不对称聚合物的热整流现象和温敏型聚合物中的热开关现象。

具体而言,在形状类似于圣诞树的大分子中,她发现了全新的机制,可以将热整流的效果提升至令人惊讶的程度。而热流大小随着方向改变的趋势,跟之前在无机非对称纳米材料里的正好相反。所谓的热整流,指的是热导随着传热方向的不同而改变的现象,在极限情况下能实现单向热传导,是声子信息器件中最核心的现象。她进一步发现,从宽端到窄端的传热方式是完全不同的。这些发现为发展纳米有机热敏二极管开辟了新的道路。而在热开关方面,田芝婷首次发现了温敏型聚合物的热导率会在跨过转变温度时快速而明显地发生改变。这个工作为通过高阶相变实现快速热开关提供了一个全新的方法。这些发现将对太空技术、智能建筑、能量存储系统以及热计算机领域的革新带来巨大的影响。谈到最遥远的未来,田芝婷认为,也许有一天,我们甚至可以用热来做通信。既然光和电都可以,为什么热不行?热力学这门古老的学科,在田芝婷这样的年轻科学家这里,正焕发着最耀眼的新生命。


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