從燧人氏鉆木取火開始,人類文明的發(fā)展就和“熱能”息息相關.現(xiàn)代科技史上,瓦特改良的蒸汽機奠定了工業(yè)革命.1822 年,傅里葉提出導熱定律和傳熱方程的數(shù)學解法,由此發(fā)展的傅里葉變換廣泛應用在諸如音頻、圖像處理等眾多領域.到了20 世紀初,普朗克關于黑體輻射的研究成為量子力學的開端.2020 年開始的新冠病毒疫情之后,利用高溫殺滅空氣中的病毒也獲得不少關注.

作為一個歷久彌新的學科,在科技發(fā)展日新月異的今天,關于熱的基礎研究和前沿應用也在不斷推進.2005 年,《科學》雜志在創(chuàng)刊125 周年之際提出的125 個科學前沿問題中,就包括地球這個巨系統(tǒng)的熱能平衡問題:“溫室效應會使地球溫度上升多高? ”2021 年,日裔美籍科學家真鍋淑郎和德國科學家克勞斯·哈塞爾曼因“建立地球氣候的物理模型、量化其可變性并可靠地預測全球變暖”的相關研究獲得諾貝爾物理學獎.同年,上海交通大學攜手《科學》雜志再次提出了125 個科學新問題,特別關注了“物質(zhì)傳熱的極限是什么? ”這個熱物理的基礎問題.可以預見,對于熱物理深層機理的研究必將引發(fā)新的技術革新.

在電力緊缺的今天,全球約60%的能源都以廢熱的形式白白浪費.從這個角度來講,熱物理的進展對于我國最近強調(diào)的“碳達峰、碳中和”至關重要.根據(jù)這一戰(zhàn)略目標,我國力爭于2030 年二氧化碳排放達到峰值,2060 年實現(xiàn)碳中和.“雙碳”目標與我國建成社會主義現(xiàn)代化強國的第二個百年奮斗目標相呼應.“十四五”作為“雙碳”目標提出后的第一個五年規(guī)劃期,也是實現(xiàn)“雙碳”目標的關鍵期和窗口期.要實現(xiàn)這一偉大目標,必須以能源科技創(chuàng)新為先導.

而在利用的和廢棄的能源中,占比最大的都是熱能.關于熱能的研究涉及材料、電子器件、生物、能源等諸多學科,納米工程的引入為熱物理的進展注入了新的活力.除了廢熱回收,微納米電子器件、電池中的過熱問題會直接影響其性能和使用壽命,成為5G、量子計算、芯片、電動汽車等國家戰(zhàn)略技術領域目前的研究熱點.作為工程應用的基礎,我們對于熱物理、尤其是納米工程中熱物理的認知還是遠遠不夠的.因此,物理、工程、材料、電子等多學科的交叉研究將在上述新興領域大有用武之地.

鑒于納米關鍵熱物理問題研究的挑戰(zhàn)性與緊迫性,《物理學報》特組織本專題,并邀請國內(nèi)外活躍在相關領域前沿的中青年專家撰稿,從多個角度、跨學科、深入淺出地介紹最新熱點研究成果并探討基礎科學和工程應用中的問題,包括仿生輻射制冷、導熱智能材料及應用、納米相變材料與儲熱、量子技術需要的稀釋制冷機、固體鋰電池熱管理、第三代半導體和芯片熱管理、聲子弱耦合與熱輸運和熱調(diào)控等.

在此,我們樂于和讀者分享這些熱物理的前沿進展,也希望這些工作在不久的將來會深刻地影響人類的生活.