熱能作為一種基本的能源形式，在人類的能源使用形式中占比超過50%。如何在使用過程中減小熱量的損耗（Reduce），對廢熱進行存儲再利用（Reuse），以及將熱量轉變為其它的能源形式（Recycle），被認為是解決當前能源問題的有效途徑之一。該類技術簡稱熱的3R 技術，其中材料的熱導率為決定其性能的一個關鍵參數。在絕緣體中，晶格的振動，或聲子（phonon）為熱量的主要載體。聲子在納米結構材料的表面及不同材料間的界面會發生散射，從而改變傳輸方向，進而影響材料的熱導率。理解納米結構材料中聲子的傳輸規律，將有助于理解其內在的導熱機理，從而促進熱的3R 技術。然而，由于材料中導熱聲子的廣譜特性以及納米材料的結構復雜性，目前市面上尚無針對納米結構材料導熱性質進行模擬的成熟軟件。基于此目的，東京大學塩見淳一郎教授，邵成博士后，以及課題組內其它成員，共同研發了一套基于Monte Carlo 粒子追蹤的任意結構納米材料熱導率模擬軟件（Simulator for phonon transport in Arbitrary Nano-Structure, P-TRANS）。該項目受日本New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) 及Thermal Management Materials and Technology Research Association (TherMAT) 項目資助。該軟件的整體工作流程如圖1所示。

圖1 P-TRANS 的整體工作流程

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該軟件采用第一性原理計算得到的聲子頻譜特性作為輸入，同時利用軟件自帶的圖形界面（GUI）或者第三方CAD 軟件來設計納米結構材料的結構模型。在結構設計完畢后，只需要在該軟件上點擊運行Monte Carlo 粒子追蹤程序，即可得到該納米結構材料中的聲子頻譜特性，其中包括材料中聲子的有效平均自由程分布，不同頻譜聲子對熱導率的貢獻，以及熱導率隨聲子自由程的累積關系。這些信息對進一步設計及調控材料熱導率起著重要作用。

該軟件的主頁網站為：http://www.phonon.t.u-tokyo.ac.jp/p-trans/?（點擊文章后面閱讀更多即可跳轉）。該網站提供針對不同操作系統的下載鏈接及詳細的使用教程，并提供多達60種材料基于第一性原理計算的聲子頻譜特性數據庫，歡迎大家下載使用。如在使用過程中有任何問題，也可以發郵件到：ptrans@photon.t.u-tokyo.ac.jp 進行咨詢。

圖2 給出了基于該模擬仿真軟件的具體應用。在P-TRANS 的幫助下，我們可以輕松模擬出多晶材料，納米多孔材料，薄膜，及納米線材料熱導率。該仿真軟件將大大提升新材料的設計，開發，及制造流程，同時為科研工作者進一步理解微納米尺度聲子傳輸提供新工具。

圖2 基于P-TRANS的應用舉例

相關參考文獻如下：

·?Takuma Hori, Junichiro Shiomi, Chris Dames, “Effective phonon mean free path in polycrystalline nanostructures”, Applied Physics Letters Vol. 106, 171901 (2015)

·?Makoto Kashiwagi, Yuxuan Liao, Shenghong Ju, Asuka Miura, Shota Konishi, Takuma Shiga, Takashi Kodama, and Junichiro Shiomi, “Scalable multi-nanostructured silicon for room-temperature thermoelectrics”, ACS Applied Energy Materials, 2, 7083-7091 (2019).