Advances of phononics in 2012—2022

Due to its great potential applications in thermal management, heat control, and quantum information, phononics has gained increasing attentions since the first publication in Rev. Mod. Phys. 84 1045 (2012). Many theoretical and experimental progresses have been achieved in the past decade. In this paper, we first give a critical review of the progress in thermal diodes and transistors, especially in classical regime. Then, we give a brief introduction to the new developing research directions such as topological phononics and quantum phononics. In the third part, we discuss the potential applications. Last but not least, we point out the outlook and challenges ahead.     

微纳米电子器件散热过程中的物理问题

微纳米电子器件的散热问题是目前制约半导体工业发展的重要瓶颈.将电子器件工作时产生的热量传输到封装外壳后再耗散到环境中去需要好几个步骤,每个步骤需要不同的方法,其中有些步骤涉及到了固体中的界面热传导问题和高性能导热材料.文章先介绍了近期关于微纳米尺度器件散热问题中碰到的热传导问题在理论和实验两方面的研究进展.在热传导理论和计算方法方面,作者讨论了傅里叶定律在微纳米尺度的适用性,介绍了玻尔兹曼方程、分子动力学模拟和格林函数方法.在热传导实验方面,介绍了用扫描热显微镜测量样品表面温度和用超快激光反射法测量薄膜材料的热导率及其界面热阻.然后介绍了界面热传导问题,包括界面热阻的计算以及电子—声子相互作用对界面热阻的影响.最后作者介绍了关于高性能导热材料方面的最新进展,包括碳基导热材料、晶格结构类似于石墨烯的氮化硼材料、高分子有机材料以及界面热阻材料.     

基于Cre-LoxP系统的条件性定点敲入人源hRas基因小鼠的建立

目的 构建基于Cre- LoxP系统的条件性定点敲入人源hRas基因(c-Ha-ras)的小鼠,以获得hRas基因在特定组织器官条件性表达的小鼠模型,用于药物的临床前致癌性安全评价及相关机制研究。方法 首先构建hRas打靶载体,电击法转染入小鼠胚胎干细胞(ES细胞),用正负法筛选阳性ES细胞,通过PCR、 Southern鉴定后,将正确重组hRas基因的ES细胞导入C57BL/6 J小鼠囊胚,移入同步发育的受体鼠子宫,妊娠足月出生的嵌合体小鼠与C57BL/6 J小鼠交配获得杂合子hRasfl/+小鼠。再将杂合子hRasfl/+小鼠间交配获得纯合子小鼠hRasfl/fi,然后与全身组织细胞表达Cre重组酶的Tg (EIIa-cre)小鼠进行交配,获得全身细胞表达hRas基因的hRas-EIIa-cre小鼠,并通过荧光定量PCR方法检测不同日龄胚胎期仔鼠的hRas基因表达水平。结果 成功构建了基于Cre- LoxP系统的人源hRas基因条件性定点敲入小鼠模型的载体,筛选得到的一个正确克隆,电转ES细胞后进行Southern blot鉴定,经过初筛和复筛,共获得12个阳性克隆,挑选A11号克隆ES细胞进行囊胚注射,移植了48枚胚胎,出生9只小鼠,其中6只为嵌合鼠,将嵌合率>50%的雄鼠与野生型C57BL /6 J雌鼠进行交配,出生21只后代,其中鉴定有4只hRasfl/+小鼠;hRasfl/+小鼠间交配出生29只小鼠,其中有14只纯合子hRasfl/fi小鼠;hRasfl/fl小鼠与Tg (EIIa-cre)工具鼠交配6次,未有仔鼠出生;跟踪不同发育时期胚胎中hRas基因的表达发现,E10.5～15.5 d胚胎中检测到hRas基因表达。结论 成功建立运用Cre- LoxP系统建立了带有hRas基因敲入的纯合子小鼠hRasfl/fl,未能得到全身细胞高效表达人源hRas基因的hRas-EIIa-cre小鼠,但为进一步利用hRasfl/fl小鼠模型建立其他组织特异性的条件性基因敲入小鼠模型做好技术储备。     

低维微纳尺度体系声子热传导和热调控:来自芯片散热的非平衡统计物理问题

半导体芯片发展路线图上的一个障碍是“热死(heat death)”,也就是大量热量的产生而导致芯片被烧毁.所以散热问题成为进一步发展半导体工业亟待解决的关键问题.芯片里的热传导包含一维和二维材料中声子热传导以及声子通过不同材料间的界面热传导.本文总结了过去30年来一维、二维和界面声子热传导的主要理论和实验进展,重点介绍了一维体系声子热传导发散的物理机制以及反常热传导和反常扩散之间的关系.本文还简要讨论了与此相关的非平衡态统计物理的基本问题:从给定的哈密顿量出发是否能够推导出宏观输运行为.本文从微观图像的角度讨论了调控声子热传导的几种方法:纳米声子晶体,纳米热超材料,界面和声子凝聚等.为了让读者全面了解声子热传导,还简要地介绍了其他声子热输运现象,包括热导量子化、声子热霍尔效应、手性声子,以及声子与其他载流子之间的相互作用.最后,本文讨论了声子热传导研究面临的挑战和机遇,包括声子在量子信息和技术中的潜在应用.     

微纳尺度热能调控的声子学元器件研究进展

声子是半导体材料中热能的主要载体.通过对声子调控的深入研究,人们可以为微纳电子器件散热和热能转换提供有效的解决方案.文章介绍了热能调控声子学元器件的研究进展,重点阐述了理论上如何利用微纳米结构材料构建声子学基本单元——热二极管/热整流器.此外,文章还介绍了该领域的关键测量技术和实验进展,包括热整流器和热存储器的设计与实现.最后对声子学研究的发展趋势进行了展望,并提出了存在的困难和挑战.     

气泡幕中的声传播及其反演

本文提出了用声学反演法测量气泡幕中气泡尺寸分布参数、气体的体积分数(浓度)以及气幕的有效厚度的方法.根据文献[3]引入的等效入射场的概念插写气泡多次散射相互作用的方法,考虑到气泡尺寸分布,得到了气泡介质的复声传播常数的表达式,并将它应用到气泡幕情况.实验测出气泡幕的反射透射数据,应用最优化方法反演得到气泡幕的上述几个参数,理论与实验符合得较好.     

玉米芯垫料替代刨花垫料后动物的换窝频度

本研究目的在于考察不同材质的动物垫料对动物排泄物的吸收程度,为采用玉米芯垫料取代传统刨花垫料后,在动物管理中设计垫料更换频度提供参考数据。研究选用初始均重分别约500 g(n=72)和200 g(n=24)的2批次SD大鼠及1批均重约35 g(n=24)的BALB/C小鼠,在动物笼具内动物数量及铺垫垫料厚度不同时,通过测定动物笼具内氨浓度值、垫料吸湿性能、垫料和动物皮毛洁净度评分等参数对两种垫料进行评估。结果表明,在使用相同体积(厚度)垫料的情况下,玉米芯垫料可以获得比柳木刨花垫料更好的吸水和氨吸附能力,从而可以减少垫料更换频率。     

声子学:用热处理信息和智能控制热流的新型科学和技术

文章同顾了微观体系中热流控制研究的理论和实验发展,着承介绍了近年来通过利用非线性材料中能谱随温度变化的特性控制热流的最新研究进展.研究表明,热二极管、热三极管和热逻辑门等微观尺度热控制器件模型都是叮行的.在理论上人们不仅可以对声子产生的热流进行整流、开关及调整,而且还可以用热来完成基本的逻辑运算.相火研究在环保节能方面也将得到广泛应用.     

4种不同处理的实验动物饮水储存时间-细菌培养报告

目的通过模拟现实环境,对国家药物安全评价监测中心可能使用的4种处理动物饮水的储存时间-菌落进行监测,为该中心的实验动物饮水管理提供参考。方法将4种水样存放在模拟现实环境下,每周分别取样接种血平皿进行细菌培养,为控制样品传递可能造成的污染,取样及接种操作安排在临近储存环境的设备中进行。结果高压灭菌管道自来水连续5周未检测到细菌,高压灭菌过滤水连续8周未检测到细菌;新鲜未高压灭菌管道自来水及过滤水水样细菌检出阳性,其中新鲜自来水存放1周后每毫升水样中菌落单位超过100个,新鲜过滤水存放1周后每毫升水样中菌落单位平均34个（范围：29～37 cfu/mL）。结论高压灭菌水储存5周满足无菌要求,可提供给清洁级以上动物饮用;未经高压灭菌过滤水储存1周内可满足国标要求,可供普通级动物使用,但接取新鲜水样将更加安全;新鲜管道自来水满足国标要求,可供普通级动物使用,但建议不要储存过夜饮用。