从夸父追日到普罗米修斯偷火，从钻木燧石到火柴的产生，从茹毛饮血到烟火熟食，在人类文明发展史上，从来没有一项发明能像火的影响那么大。燃烧是创造火的主要方式，燃烧为人类提供了社会发展所需要的大部分能源。无论是石器时代、铁器时代，还是电器时代，燃烧在人类发展进程上一直承担着关键角色，但是高温燃烧存在着诸如能量利用效率低、造成环境污染等问题，如何更高效、更清洁地利用能源成为一个迫切需要解决的热点问题。
据调查，过去的一百多年里，人们对于热能量研究所取得的成果远远不如对于电相关领域研究所取得的成果丰富。诺贝尔物理学奖有数十次都是授予了与电相关的成果，而最近一次授予给热学相关成果的时间要追溯到1913年的气态方程。胡志宇教授课题组多年来一直致力于研究如何在纳米尺度改变传统的燃烧方式，创新提出了“纳米火（Nanofire）”的概念，传统认知的宏观三维燃烧第一次缩小到纳米尺度上来进行可控燃烧。（燃起“纳米火”的普罗米修斯，《科技日报》，2014年12月26日头版头条）。
近日胡志宇教授课题组与瑞典皇家理工学院Sebastiaan A. Meijer教授课题组在国际学术期刊《Nano Convergence》上共同发表了题为“Nanofire and scale effects of heat”的论文，上海交通大学硕士研究生吴之茂为第一作者，胡志宇教授为通讯作者（2019, 6:5，https://doi.org/10.1186/s40580-019-0175-4）。该论文对“纳米火”的发展进行了综述，并系统地论述热能量的（微纳）尺度效应。
一、纳米火
2005年胡教授在实验中偶然发现了室温纳米催化燃烧现象（Energy & Fuels, 2005, 19, 855-858），该成果发表后美国能源部对此进行了正式的新闻发布，迅速得到包括美联社等世界数百家媒体、广播、网络等以十多种文字进行了广泛报道。纳米火是通过化学催化作用使燃料第一次实现了在纳米尺度上的可控定点燃烧，并反应高效、位置精准地快速转换成热能。这种燃烧没有点火过程，燃烧只发生在纳米催化剂颗粒存在的区域，不存在纳米铂（Pt）颗粒的区域不会发生任何变化。此后，又经过了十多年的不懈探索与研究，胡教授先后实现了利用喷墨打印方式二维图形化催化燃烧（J. of Power Sources, 2014, 271, 174–179）, 和在硅片上点燃20纳米超薄可图形化火（Nano Energy, 2017, 42, 195-204）。
图1 二维纳米火
“纳米火”是一种发生在微纳尺度上的无焰燃烧，可以利用微纳加工手段，在硅片上沉积20纳米厚可图形化的铂催化剂（铂厚度为5纳米），然后在反应器中通入甲醇空气混合气体，催化剂上下表面就会产生高达10摄氏度以上的温差，并且形成1300K/mm 稳定的超大热梯度。“纳米火”温度分布均匀、响应迅速，燃烧位置绝对可控，不仅可以形成任何二维图形，而且更重要的是“纳米火”从原理上就不会产生诸如氧化氮这样的污染物。
二、芯片上的发电厂
芯片发电系统是一项具有颠覆性、原创性的核心技术。胡教授根据对热能量微纳尺度效应的理解，将4.6万多个亚微米厚度薄膜高效热电阵列集成，在75mm硅片上制备了一个芯片级全固态发电系统（J. of Power Sources, 2018, 394, 17-25）。在微纳尺度利用热电转换原理实现超小温差（0.0001K）下持续发电。该技术与超材料结合即可利用大气红外窗口制冷效应实现24小时全天候发电（Nano Energy, 2019, 55, 494-500）。另外，与光伏平面发电不同，该技术不需要占据大面积土地，非常适合安装在城市里，利用屋宇与环境温差进行立体发电，节省成本的同时降低了环境污染。论文发表后，该项技术立刻得到国内外学术界与风险投资公司的高度评价与关注。凭借其先进的技术优势和实用价值，此项研究获得了中国微米纳米技术学会2018年Navitar微纳技术创新奖。
图2 热电芯片阵列
三、热能量的（微纳）尺度效应
热电材料可以把热能量转换为电能，制造没有运动部件的全固态发电机，可很长时间以来其能量转换效率一直不高，如何提高热电转换效率成为困扰全世界研究人员的难题。胡教授团队从研究纳米火到获得热的尺度效应的启发，提出了利用热能量纳米尺度效应所产生的超大温度梯度来提高热电转换效率。热梯度是用来描述单位距离温度的变化率(其单位是:K/m)，与重力势能梯度(其单位是:N/m)、电场强度(其单位是:V/m)具有类似的性质，物理学告诉我们在所有超大梯度作用下，物质材料的各种性质都会发生变化。热的尺寸效应就是由于纳米火超薄的热源尺寸效应，造成极大的热梯度，热梯度的出现会影响到热电势，继而影响到热载子的运动，热载子的运动又会引起热导率的变化。因此，建立超大热梯度和获得低的热导率可以大幅度提高热电性能与发电效率。
图3 热源尺度与热梯度建立示意
火是人类文明的基石，火从第一次进入到人类世界迄今已有一百多万年的历史。现有能源和传统燃烧方式的诸多弊端为各种替代路径提供了空间。纳米燃烧是一种不同于宏观燃烧的新的能源利用方法，具有许多宏观尺度没有的优良的性能，热的尺度效应为之提供了有力的理论支撑。从纳米尺度上改变人类对于燃烧的使用方式，积极探寻一条绿色环保可持续的未来能源之路。世界上各种生物体中能量转换都是在纳米尺度进行的，随着对于“纳米火”和热能量的纳米尺度效应更加深入的研究，我们对于自然界中的能源系统将会有更加深刻的理解与认识，将一定会对未来世界能源利用领域产生重要影响。
