瑞士聯邦理工學院的米歇爾·西蒙塞利、哈佛大學的安德里亞·塞佩洛蒂和瑞士聯邦理工學院材料理論與模擬實驗室負責人尼古拉·馬爾扎裡開發了一套
新的熱傳播方程，超越了傅立葉定律，並解釋了為什麼以及在什麼條件下熱傳播可以變得像流體一樣，而不是擴散，顛覆生活常識和大腦直覺啊。這些“粘性熱方程”表明，熱傳導不僅與導熱係數有關，還與熱粘度有關。
這一理論與今年早些時候發表的開創性石墨實驗結果驚人地一致，並可能為設計下一代更高效的電子設備鋪平道路。其研究成果發表在了《物理評論X》期刊上。傅立葉著名的熱方程於1822年引入，描述了當熱量流經材料時，溫度在空間和時間上的變化。一般說來，這個公式很好地描述了高溫下宏觀（通常是一毫米或更大）物體中的熱傳導。然而，傅立葉熱方程未能描述所謂的流體動力熱現象。
泊肅葉熱流就是這樣一種現象，其中的熱流變得類似於流體在管道中的流動：它在中心有最大值，在邊界有最小值，這表明熱是以粘性流體流動的形式傳播。另一種稱為“第二聲”，當晶體中的熱傳播，類似於聲音在空氣中的傳播時發生：晶體的部分在熱和冷之間快速振盪，而不是遵循在通常（擴散）傳播中觀察到的溫和的溫度變化。這兩種現象都不能用傅立葉方程來描述。
到目前為止，研究人員只能使用微觀模型來分析這些現象，微觀模型的複雜性和高昂的計算成本，阻礙了對除最簡單幾何之外任何東西的理解和應用。相比之下，在開發新的“粘性熱方程”時，研究人員將所有與熱傳導相關物理知識濃縮為精確且易於求解的方程。這為電子器件的設計，引入了一種新的基礎研究工具，特別是那些集成了金剛石、石墨烯或其他低維或層狀材料的電子器件，在這些材料中，流體動力學現象現在被認為是普遍存在的。
這項研究也特別及時，雖然這些熱流體力學現象自20世紀60年代以來就被觀察到，但它們只在低溫(約零下260攝氏度)下才能看到，因此被認為與日常應用無關。去年3月《科學》期刊就發表了一篇開創性實驗，發現了在幾個工程設備中使用石墨中的第二聲(或波狀)熱傳播，以及一種有望在零下170攝氏度的創紀錄溫度下，用於下一代電子產品的材料，突然改變了這種信念。
新公式對石墨的計算結果與實驗結果非常一致，並預言即使在室溫下也可以在金剛石中觀察到這種流體動力熱傳播。這一預測正在等待實驗證實，這將為觀察到流體動力傳熱的最高溫度創造新記錄。流體動力熱傳播可能出現在下一代電子器件的材料中，其中過熱是小型化和高效率的主要限制因素。瞭解如何處理這些設備中產生的熱量，對於瞭解如何最大限度地提高它們的效率，甚至預測它們是否會正常運行或只是由於過熱而融化至關重要。
新研究為傳輸理論提供了新且獨到的見解，也為理解形狀和尺寸效應鋪平了道路，例如，下一代電子設備和所謂的控制冷卻和加熱“聲子”的設備。最後，這一新公式可以用來描述與電有關的粘性現象，這是由現任瑞士聯邦理工學院材料研究所教授菲利普·摩爾(Philip Moll)在2017年發現的。在這項研究中，研究人員將微觀積分-微分聲子玻爾茲曼輸運方程粗粒度化為介觀(更簡單)微分方程，他們稱之為“粘性熱方程”。
這些粘性熱方程捕捉到了固體（“聲子”）中的原子振動假定，與流體相似的集體(“漂移”)速度區域。展示瞭如何以封閉的形式，準確地確定導熱係數和粘度，作為散射矩陣的特徵向量之和“relaxons”概念，這是Cepellotti在2016年提出的一個概念，他因此獲得了IBM研究獎和美國物理學會大都會獎。“relaxons”具有明確的奇偶性，偶“relaxons”決定熱粘性，奇“relaxons”決定導熱係數。
而導熱係數和粘滯控制著這兩個耦合粘性熱方程中溫度場和漂移速度場的演化。科學家們還引入了傅立葉偏離數(FDN)，這是一個無量綱參數，可以量化由於流體動力效應而偏離傅立葉定律的程度。傅立葉偏離數是一個標量描述符，它描述了由於粘性效應引起的傅立葉定律偏差，起到了類似於流體雷諾數的作用，雷諾數是工程師用來區分Navier-Stokes方程解的不同可能行為參數。
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