摩擦界面的声子传递理论与能量耗散模型.docx
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摩擦界面的声子传递理论与能量耗散模型
提名国家自然科学奖项目公示
项目名称摩擦界面的声子传递理论与能量耗散模型
提名单位
教育部
提名单位意见：
该项目在国家自然科学基金、国家重大基础研究计划和863计划资助下，系统地
开展了摩擦的声子耗散以及声子在界面和多层膜结构内的输运规律的研究，在摩擦的声子耗散机理研究方面，发现摩擦耗能与声子主导频率的定量关系；在国际上最早给出超晶格结构导热系数最小值出现的条件；率先提出声子沿石墨法向输运的自由程远大于经典理论预测的10nm左右；实现了描述声子输运的玻尔兹曼方程的数值解，在国际上率先发现多层膜之间的范德华力能够提高声子在多层膜结构面内的平均自由
程。
该项目组的研究成果主要发表在NanoLetters、PhysicalReviewB、Nature
Nanotechnology等国际学术期刊上，其中8篇代表性论文获Science、Nature
Nanotechnology、NatureMaterials、AdvancedMaterials等重要国际学术期刊论文
SCI他引509篇次，单篇最高SCI他引115次，研究成果在国际上产生了重要的学术影响。
项目简介：
摩擦发热以及热量传递是自然界中最普遍的物理现象。
全世界约1/3的一次性能源由摩擦过程消耗，控制摩擦系数大小，实现界面超滑，是提高机械装备性能、解决
当今世界能源危机的一条重要技术途径。
界面性质不仅决定摩擦系数大小，也决定热量传递的效率，对热量传递效率进行主动调控是提高能源有效利用率和实现节能减排的重要手段。
理解和掌握由摩擦导致的能量耗散以及能量在界面上的输运机理是机械工程学科面对的重要科学问题，该问题的解决将为实现摩擦系数和导热系数的主动调控提供可能，具有重要的理论和工程应用价值。
该项目组在多项国家研究计划资助下，开展能量在多层膜界面耗散与输运机理的研究，取得了如下重要科学发现：
1.在界面摩擦耗能机理的研究方面，给出了原子尺度下摩擦的耗能模型，发现了摩擦耗能与声子主导频率间的定量关系；
2.在超晶格多层膜的声子输运方面，阐明了超晶格结构法向导热系数最小值产生的机理，在国际上最先给出最小值出现的条件；
3.在国际上，率先提出了声子沿石墨法向输运的自由程远大于经典理论预测的
10nm
左右，定量给出室温下自由程100nm以上的声子对石墨法向导热系数的贡献超过
40%；
4.实现了声子输运的玻尔兹曼方程数值解，在国际上率先发现多层膜之间的范德华力能调控多层膜面向导热系数；阐明了声子在多层膜上的输运机理。
该项目组取得了在国际上有重要影响的学术成果，所提出的摩擦声子耗散模型定量表征了摩擦耗能与声子主导频率之间的关系，深化了人们对摩擦耗能机理的认识；所提出的超晶格结构导热系数最小值条件已成为国际同行寻找导热系数最小值的一个通用方法。
该项目组的理论预测结果分别被国际上有重要影响的课题组和自己研究团
队的实验所证实。
2010年美国麻省理工学院学者在Science论文中验证了科学发现点1
的结论。
2014年美国劳伦斯伯克利国家实验室学者在
NatureMaterials
论文报道了氧
化物超晶格结构的实验结果，验证了科学发现点
2。
2014年陈云飞项目组与国际同行
合作实验证实了科学发现点3的理论预测（PhysicalReview
Letters
112:
205901,2014）。
加州大学伯克利分校学者在NatureNanotechnology（7:
82-83,
2012）
上撰写专题论文，高度评价科学发现点
4的原创性，认为这个工作“为实现声子输运
的主动调控给出了一个新方法”。
该项目组的研究成果主要发表在
NanoLetters、PhysicalReviewB
、Nature
Nanotechnology等学术期刊上，其中8
篇代表性论文获Science
、Nature
Nanotechnology、NatureMaterials
等期刊论文SCI他引509篇次，单篇最高SCI他
引115次，陈云飞教授受邀在国际学术会议上做邀请报告
23次，该项目组获得国际学
术会议最佳论文4篇。
客观评价：
该项目组围绕能量在多层膜界面的耗散与输运机理开展系统理论建模和实验测量工
作，科学发现点1、2均被国际同行实验所证实（代表性引文2，3，4），科学发现点3、
4被自己研究小组实验证实（AppliedPhysicsLetters106:
031905,2015、Physical
ReviewLetters112:
205901,2014）。
8篇代表性论文被SCI他引509次（见附件3）。
4篇论文获国际学术会议最佳论文奖（见附件6.4、6.5）。
研究工作先后受到国际期刊
Science、NatureMaterials、NatureNanotechnology、PNAS、PhysicalReviewLetters、
AppliedPhysicsLetters上论文的引用。
。
科学发现点1：
摩擦声子耗散机理
Krim教授对这一模型给予了充分肯定（代表性引文1）。
加州大学欧文分校
Dunckle研究小组通过实验验证了这一结论，他们在JournalofAppliedPhysics107:
114903,2010论文中正面评价了这一理论贡献，即“不同于经典的Tomlinson模型，
在低温时固/固界面摩擦作用强度依赖于声子的态密度和声子的平均自由程，因此，与4
而增大，这正如论文[20]的理论预测一样。
（论文[20]是代表性论文1）”。
在摩擦
模型工作的基础上，陈云飞项目组在2008年定量给出固液界面双电层内电荷倒置发生的条件（代表性论文2），2010年美国麻省理工学院Strano教授在其Science论文（代表性引文2）中直接引用了代表性论文2的理论预测数据，验证了这一结论。
2013年
波士顿大学Meller教授实验证实了这一理论预测，在其NatureNanotechnology论文（见代表性引文3）中采用纳米孔实验验证了代表性论文2的关于壁面电荷对双电层结构影响的结论。
2015年Meller教授再次使用代表性论文2的关于壁面电荷对双电层结构影响的结论来解释他们的实验结果（Analyst140:
4733–4747,2015）。
代表性论文1、2的工作先后被国际重要学术期刊正面他引44次（参见代表性论文列表），受到国际同行的高度评价。
科学发现点2：
声子在超晶格中的输运机理
陈云飞项目组的研究工作发表在2005年PhysicalReviewB（代表性论文3）上，2014年被美国加州大学伯克利分校Ramesh教授实验验证（代表性引文4）。
伊利诺伊
大学香槟分校Cahill教授在其论文AdvancedFunctionalMaterials19:
610-615,
2009中，利用陈云飞等的模型和结果解释了他们的工作
;美国工程院院士、麻省理工学
院GangChen教授在其论文Energy&EnvironmentalScience2:
559-588,2009
中多
处引用陈云飞等的结论。
该研究工作先后受到国际期刊
NatureMaterials13:
168-172,2014、PhysicalReviewB90:
195209,2014
、Energy&Environmental
Science2:
466-479,2009
上论文的引用
88次（参见代表性论文列表给出统计）
。
科学发现点3：
声子在多层石墨烯薄膜中的输运机理
美国加州大学河滨分校
Balandin教授认为（代表性引文5），陈云飞等提出的模
型揭示了石墨层间作用势对导热系数的影响规律。
2012年瑞典Larsson教授采用时间
分辨的X射线衍射发现
35nm厚石墨薄膜法向的导热系数远小于体态值（
Applied
PhysicsLetters101:
233108,2012），他们的实验结果验证了陈云飞项目组的预测
结果。
加州大学伯克利分校Wu教授发表论文NatureCommunication6:
8573,2015
，
肯定该项目组的结论并借鉴该项目组的测量方法；
美国维纳诺瓦大学Fleischer
教授
（JournalofHeatTransfer
副主编）在其论文
NanoEnergy6:
137,2014
中对陈
云飞项目组的工作给出了非常高的评价，认为这一工作具有开创性，必将导致在界面
热阻调控和机理认识方面更多的新发现
。
清华大学物理系范守善院士在
ACSNano
6:
3057,2012、ScientificReports3:
2549,2013
等多篇文章中引用了该项目组的研
究结果。
科学发现点4：
实现了玻尔兹曼方程的数值解，在国际上率先发现了多层膜之间的范德华力能够调控多层膜面向导热系数
该工作发表后，先后受到MaterialsScienceandEngineering
R79:
1–40,2014、
NanoLetters7:
3106-3111,2007、PhysicalReviewB86:
115328,
2012
、Journal
ofHeatTransfer130:
042410,2008等论文的他引和正面评价。
美国工程院院士、麻省理工学院GangChen教授在其著作“Frequency-DependentMonteCarlo
Simulations
of
PhononTransportinNanostructures
（INTECHOpenAccess
Publisher,2011）
”中高度评价了陈云飞等人的工作，认为他们的模型解决了三声子
散射这一长期存在的问题，能够适用于纳米结构的声子输运
。
德克萨斯大学奥斯汀分
校的LiShi
教授借鉴该项目组的模型和结果（代表性引文
6），并多次对陈云飞项目
组的工作给予了正面评价和肯定，他们指出“陈等人的模型是一种简单而有效的模型，
是对玻尔兹曼方程求解的一种进步。
”美国科学院院士、麻省理工学院Dresselhaus
教授也高度评价了该项目组的工作，认为其可以解决纳结构中声子输运的问题（代表
性引文7）。
英国剑桥大学Frenkel教授在其论文MolecularSimulation34:
2590266,
2008中根据该项目组的算法思想，提出新的算法结构，并认为陈云飞项目组的工作是一种原理上的创新。
加州大学伯克利分校学者在NatureNanotechnology（7:
82-83,
2012）上撰写专题论文，高度评价陈云飞项目组工作的原创性，认为这个工作“为实现声子输运的主动调控给出了一个新方法”。
六、代表性论文专著目录（不超过8篇）
论
文
发
通
第
署
名
表
讯
一
SC
单
年卷页
时
作
作
I
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论文专著
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因子
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/作者
xx卷
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者
包
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月
共
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数
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日
同
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国
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外
单
位
3.44
20
陈
Temperaturedependence
0
云
09
offrictionalforcein
2009年
飞
carbonnanotube
20卷3期
年
陈
陈
1
，
13
16是
1
035704
云
云
oscillators/Nanotechnol
杨
ogy/Chen,YF;Yang,JK;
月
飞
飞
页
1
决
Wang,XH;Ni,ZH;Li,DY
宽
日
，
Electroosmoticflowinnanotubeswithhigh
surfacecharge
2
densities/NanoLetters/Chen,YF;Ni,ZH;Wang,GM;Xu,DY;Li,DY
12.7
20
陈
12
08
云
2008年8
年
陈
陈
飞
卷1期
1
云
云
，
3151
是
42-48页
月
飞
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倪
1
中
日
华
，
Minimumsuperlattice
3.83
thermalconductivity
6
frommolecular
3dynamics/PhysicalReview
B/Chen,YF;Li,DY;
Lukes,JR;Ni,ZH;Chen,
MH
6.33
In-planelatticethermal
7
conductivitiesof
multilayergraphene
4
films/Carbon/Wei,ZY;
Ni,ZH;Bi,KD;Chen,MH;
Chen,YF
Thermalconductivities
3.83
ofsingle-walledcarbon
6
5
nanotubescalculated
fromthecompletephonon
dispersion
relations/Physical
ReviewB/Gu,YF;Chen,YF
MonteCarlosimulation
1.86
of
siliconnanowirethermal
6
conductivity/Journalof
6
Heat
Transfer-Transactions
of
the
ASME/Chen,YF;Li,DY;
Lukes,JR;Majumdar,A
20
陈
2005年
05
云
72卷17
年
陈
陈
飞
期11云云，
174302
月
飞
飞
倪
页
1
中
日
华
20
魏
志
2011年
11
勇
49卷8
年
陈
魏
，
7
期
云
志
倪
2653–2
月
飞
勇
中
658页
1
华
日
，
20
毕
顾
2007年
07
云
76,卷13
年
陈
顾
风
期10云云，
134110
月
飞
风
陈
页
1
云
日
飞
陈
20
云
2005年
05
飞
127卷10
年
陈
陈
期
10
云
云
1129-11
月
飞
飞
37页1
日
13
88是
9
5985否
3258否
11
21
5
是
7
1.77
2
Atomisticsimulationsof
mechanicalpropertiesof
graphene
7nanoribbons/PHYSICSLETTERSA/Bu,H;Chen,
YF;Zou,M;Yi,H;Bi,KD;Ni,ZH
1.40
Anisotropicmechanical
5
propertiesofgraphene
sheetsfrommolecular
8dynamics/PHYSICAB-CONDENSEDMATTER/Ni,ZH;Bu,H;Zou,M;Yi,H;Bi,
KD;Chen,YF
2009年
373卷
37期
3359-33
62页
2010年
405卷5
期
1301-13
6页
卜
20
浩
，
09
陈
年
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卜
云
9
云
浩
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卜
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华
浩
1
，
日
易
红
10
77是
8
13
94是
1
主要完成人情况：
1、陈云飞，排名1，副院长，教授，工作单位：
东南大学，完成单位：
东南大学，是该项目学术负责人，提出了能量在多层膜耗散与输运的研究课题，在整个项目中承担技术路线的制定、研究组织的实施、实验数据的分析、整理和凝炼；代表性论文
1、2、3、4、5、6、7、8的通讯作者（见附件1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、
1.8）。
2、杨决宽，排名2，教授，工作单位：
东南大学，完成单位：
东南大学，重要科学发
现点1、2、3、4的主要完成人，参与了重要科学发现点2的理论建模，重要科学发现点3、4的实验研究主要完成人。
代表性论文1的共同作者（见附件1.1）。
3、倪中华，排名3，院长，教授，工作单位：
东南大学，完成单位：
东南大学，重要科学发现点1、2、3的主要完成人，摩擦声子耗散模型的重要完成人，声子在超晶
格和石墨烯薄膜中输运机理的主要完成人，代表性论文8的第一作者（见附件1.8）；代表性论文1、2、3、4、7的共同作者（见附件1.1、1.2、1.3、1.4、1.7）。
4、毕可东，系主任，教授，工作单位：
东南大学，完成单位：
东南大学，重要科学发现点3的主要完成人，参与完成声子在石墨烯薄膜输运的理论建模工作，参与完成
科学发现点3的实验台搭建和数据分析工作。
代表性论文4、7、8的共同作者（见
附件1.4、1.7、1.8）。
5、魏志勇，副教授，工作单位：
东南大学，完成单位：
东南大学，重要科学发现点3
的主要完成人，完成声子在石墨烯面内和法向输运的理论建模。
代表性论文4的第
一作者（见附件1.4）。
完成人合作关系说明：
本项目的完成人有陈云飞、杨决宽、倪中华、毕可东和魏志勇，均来自于江苏省
微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，分别于1995年、2004年、2002年、2007
年和2013年开始，全职任教于东南大学机械工程学院。
项目完成人杨决宽，为第一完成人陈云飞教授指导的博士研究生，于
2000年9月
入读东南大学后即参与到本项目中，并在毕业留校后继续开展该项目的合作研究。
截
至本项目完成时间2011年7月1日为止，该项目所列的8篇代表性论文中，有1篇是二人共同署名发表。
项目完成人倪中华，自从2003年9月开始，与第一完成人陈云飞教授开展该项目
的合作研究。
截至本项目完成时间2011年7月1日为止，该项目所列的8篇代表性论
文中，有6篇是二人共同署名发表。
项目完成人毕可东，为第一完成人陈云飞教授指导的博士研究生，于2002年9月
入读东南大学后即参与到本项目中，并在毕业留校后继续开展该项目的合作研究。
截
至本项目完成时间2011年7月1日为止，该项目所列的8篇代表性论文中，有3篇是
二人共同署名发表。
项目完成人魏志勇，为第一完成人陈云飞教授指导的博士研究生，于2007年9月
入读东南大学后即参与到本项目中，并在毕业留校后继续开展该项目的合作研究。
截
至本项目完成时间2011年7月1为止，该项目所列的8篇代表性论文中，有1篇是二
人共同署名发表。
在2008年成立的江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室中，项目完成人陈云飞和倪中华担任实验室副主任，项目完成人杨决宽、毕可东和魏志勇均为江苏省
微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室固定研究人员。
知情同意证明：
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