随着电子器件不断向更小、更快、更柔性的方向演进，热流不再只是需要被“带走”的负担，而成为必须被精准“驯服”的对象。温度太高会烧毁器件，太低又难以维持性能，因此可调、可逆、可局域的热控制正成为未来热管理的核心诉求。真正理想的热系统，应如电路调控电流般，可以随需开关、分流甚至整流。然而传统材料难以实现这种灵活操控，而二维材料在受力时声子谱与界面耦合会发生剧烈变化，使其对热流的响应高度敏感、可设计，“以力控热”因而成为突破现有热管理瓶颈的全新思路。更关键的是，不同材料和结构在拉伸、压缩、弯曲、扭转下展示出截然不同的热输运规律，既充满潜力，也亟需系统梳理。针对该需求，华科微纳中心联合弗吉尼亚大学许宝星教授，从材料到结构、从机制到应用，全景式总结了力场调控二维材料热输运的可逆策略，为构建可编程、可设计的下一代热管理技术奠定基础。相关综述以“Thermal transport in mechanically deformed two-dimensional materials and designed structures with their applications”为题发表于《Nanoscale Horizons》。微纳中心博士陈凯和硕士陈梓乔为共同第一作者，其他作者有博士于小童，通讯作者为许宝星教授、陈蓉教授、高远教授。
该工作从力学场切入，构建了跨原子—纳米—器件尺度的多尺度理论框架（图1），系统总结了二维材料在外加载荷作用下热导率的调控规律，包括张拉、压缩、扭转与弯曲等典型模式（图1(a)）。研究显示，不同载荷通过改变晶格常数、键长、波矢迁移和跨界面声子耦合，深刻影响声子色散关系与散射过程，使不同结构类型的二维材料（石墨烯、TMDs、Xene、MXene等）呈现出高度材料依赖的热输运响应，为实现“按需定制热性能”提供了新的可能。
基于大量文献统计与理论模拟，团队进一步绘制了不同二维材料体系在四类力学载荷下的热导可调范围。如图2 (b)所示，拉伸应变通常导致热导单调下降，最大调节幅度可达50–60%；压缩应变因引入结构失稳与凸起增强散射，使热流进一步受限；扭转载荷可在MoS₂等材料中诱发褶皱，大幅增强散射；而弯曲主要抑制低频声子传播，使热导小幅下降（一般低于10%）。这种“材料—载荷”对应关系为未来二维材料的选择、结构设计与应用优化提供了工程化依据。
在此基础上，研究进一步指出，仅依赖二维材料的本征属性，其热调控幅度仍然受限，而结构工程的引入则能显著拓展调控窗口。典型方法包括垂直堆叠的范德华异质结构、横向异质结以及多层二维材料的层间重新排列与耦合调控等。如图3(d)所示，声子谱的重叠情况以及界面的散射强度均可在外加载荷下发生系统性的变化，使得热输运展现出比单层材料更丰富的响应。特别是在具备不同晶格常数、质量差异及键合环境的异质界面上，力场可以重塑局域势能及界面势垒，从而改变热流分布与传输路径。
具体而言，外力压缩可增强某些界面的面内原子重叠，促进声子耦合，从而提升界面热导。例如在石墨烯–黑磷等范德华界面中，适度压缩即可使热导提高近 1 个数量级（图3(e)），体现出结构工程与机械载荷之间的强协同效应。另一方面，横向异质结或具有晶格错配的界面在拉伸应变下会表现出显著的非对称热输运行为，由此产生方向依赖的强热整流效应。与此同时，扭转等复杂变形会导致声子模式重分布，使热流调控具有更大的自由度。总体来看，多种结构形式与不同力学场的交织，使二维材料具备如“热学积木”般的可设计特性，可通过结构拼接与力场耦合实现多维度、可编程的热调控行为。
在应用层面，二维材料在机械耦合作用下具备可逆、实时与区域可控的热调节能力，为新一代热管理技术提供了多种可能性。潜在应用包括力控热开关与热二极管、自适应热管理的柔性电子器件、可机械调节的热电器件（图4），以及基于可编程声子调控的热处理与散热单元。外力驱动的可重构热功能也被认为将成为未来原子尺度热管理的核心方向。
本工作系统整合机械载荷调控二维材料热输运，全面梳理了主要规律、物理机制、计算框架及应用前景，强调了力—热耦合在未来热管理体系中的核心作用。研究为可设计二维材料热管理系统、热开关与热整流器件以及柔性能源系统提供了全面理论基础，并描绘出一个清晰的前景：通过外部力场主动塑造二维材料的热输运行为，使热管理从“被动适应”迈向“主动控制”。
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2025/NH/D5NH00607D
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