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工程師們?yōu)榱吮苊怆娮釉O(shè)備發(fā)生過熱的情況，可謂是用盡渾身解數(shù)。他們通常用玻璃、塑料，或者多層空氣作為隔熱材料，來防止微處理器等發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量對其他元件造成損害，或者讓用戶感到不滿。而電子設(shè)備不斷小型化的發(fā)展趨勢，對于隔熱材料乃至整個隔熱系統(tǒng)的設(shè)計，著實(shí)給工程師帶來不小的挑戰(zhàn)。
 

然而近日，斯坦福大學(xué)研究人員的新發(fā)現(xiàn)，可以在未來幫助工程師解決小型化電子設(shè)備的隔熱設(shè)計問題。他們的實(shí)驗已經(jīng)證明了，僅用幾個原子厚的材料，就可以達(dá)到比其厚 100 倍的玻璃可提供的相同隔熱效果。
 

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、電氣工程學(xué)院的教授 Eric Pop，同樣也是這項研究的負(fù)責(zé)人說：“該發(fā)現(xiàn)可以較快地投入到應(yīng)用領(lǐng)域，更薄的隔熱層將幫助工程師設(shè)計出比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更緊湊的電子設(shè)備。”這項研究發(fā)表在 Science Advances 雜志上。
 

對于這項研究的獨(dú)特之處，Pop 說：“我們的研究團(tuán)隊正以一種全新的方式看待電子設(shè)備中的熱量——將其看作聲音。”
 

圖 | “燃燒”的聲波曲線（來源：DeepTech）

把熱當(dāng)聲音來研究
 

你是否能想象，我們平時使用筆記本電腦或手機(jī)時，感受到的熱量其實(shí)是一種聲音？當(dāng)然，不是筆記本電腦風(fēng)扇的嗡嗡聲。
 

如果你覺得這聽起來有些不靠譜，那仔細(xì)考慮一下我們學(xué)過的基礎(chǔ)物理知識。電線中形成電流，是依靠電子在其中運(yùn)動形成電子流。當(dāng)這些電子運(yùn)動時，就會與它們所經(jīng)過材料中的原子相碰撞（比如電阻），每發(fā)生一次碰撞，就會引起材料中的一個原子振動。電流越大，碰撞也就越頻繁，最終可能就會發(fā)展為電子像撞鐘一樣不斷敲擊原子——而這種“刺耳”的震動遠(yuǎn)高于人們的聽力閾值，所以對于其產(chǎn)生的能量，我們的感覺是熱。
 

我國古代道家的哲學(xué)術(shù)語“心靜自然涼”，辯證地來看，是不是也有么一點(diǎn)兒“如果周遭聲音太過嘈雜，人們就會感覺燥熱”的意思在里面呢。
 

說回斯坦福大學(xué)的發(fā)現(xiàn)，研究人員也正是有了“把熱看作一種聲音形式”的想法，進(jìn)而激發(fā)了他們從物理世界中借鑒一些原理的求知欲。Pop 曾在斯坦福大學(xué)的校廣播電臺—— KZSU 90.1 FM 做過電臺 DJ，那時他就發(fā)現(xiàn)音樂錄音棚里很安靜，是因為有專門設(shè)計的厚厚玻璃窗隔絕了外面的聲音。
 

目前電子產(chǎn)品的隔熱設(shè)計也與上述原理相似，如何更好地隔熱是工程師們永恒的話題。如果參考錄音室增加或增厚隔音玻璃，去增添隔熱材料，那就會阻礙電子產(chǎn)品向著更輕薄的方向發(fā)展。所以斯坦福大學(xué)的研究人員借鑒了多層玻璃讓室內(nèi)更保暖的技巧（在不同厚度的玻璃之間填充一層空氣），設(shè)計出一種多層結(jié)構(gòu)的材料薄膜。
 

圖 | A. 入射拉曼激光探測下，Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 “三明治”結(jié)構(gòu)的截面示意圖；B ~ E. 在SiO2襯底上混合 4 層（B）和 3 層（C 到 E）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫截面截圖，由于碳原子的原子數(shù)相對較低，在每個異質(zhì)結(jié)構(gòu)頂部的單層石墨烯很難被識別出來（來源：Science Advances ）
 

創(chuàng)新的“三明治”結(jié)構(gòu)設(shè)計
 

納米材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠集成各個結(jié)構(gòu)基元的性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對原子和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制，從而獲得新的功能。這使納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成設(shè)計成為一個充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的新興領(lǐng)域，它能讓更先進(jìn)的電子和光子學(xué)應(yīng)用成為可能。但在熱應(yīng)用領(lǐng)域，其相應(yīng)的進(jìn)展一直都比較緩慢。
 

斯坦福大學(xué)這次取得了突破，其研究團(tuán)隊通過將原子薄厚的二維材料分層堆疊的方式，開發(fā)出一種擁有超高隔熱性能的超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)。他們成功地將單層石墨烯、MoS2 和 WSe2 堆疊在一起，這樣形成的薄膜材料的熱阻是 SiO2 的 100 倍，并且在室溫條件下導(dǎo)熱效率優(yōu)于空氣。
 

在這個“三明治”結(jié)構(gòu)中，石墨烯是單層的，而另外 3 種片狀材料均為 3 個原子厚。這樣就制成了只有 10 個原子厚的 4 層絕熱體。不要以為這種絕熱體很薄就沒有效果，該結(jié)構(gòu)可以很好地抑制原子的熱振動，當(dāng)原子通過每一層時，都會損失大部分能量。
 

圖 | 4 層結(jié)構(gòu)薄膜傳熱測試的截面示意圖——電流在石墨烯頂層流動，熱量在各層間消散，最后只有極少的熱量傳入基底（來源：Science Advances ）
 

與此同時，研究人員還對該“三明治”每層材料的熱阻進(jìn)行了分析。他們通過一個穩(wěn)定的熱源對其進(jìn)行加熱，并分別對每層進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)果表明，“三明治”的每一層在傳熱過程中都起到了很好的隔熱效果，并且表現(xiàn)是線性穩(wěn)定的。
 

圖 | 4 層結(jié)構(gòu)的 SThM 熱圖，顯示出通道內(nèi)均勻的溫度分布，證實(shí)了疊層中熱層間耦合的均勻性（來源：Science Advances ）
 

未來的應(yīng)用前景
 

新型材料結(jié)構(gòu)在可以切實(shí)地投入到應(yīng)用層面之前，一定都會面臨同樣的問題，就是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。這個問題在二維材料領(lǐng)域，尤其對于如此之薄的材料結(jié)構(gòu)，更是尤為艱難。
 

斯坦福大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)著手去尋找一些大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)，可能會是在制造過程中向電子元件噴射，也可能是以薄膜材料沉積的方式來實(shí)現(xiàn)該“三明治”薄層的設(shè)計。
 

研究團(tuán)隊對于將發(fā)現(xiàn)落實(shí)到應(yīng)用十分有信心，他們認(rèn)為不用很長時間就可以將該發(fā)現(xiàn)投入到生產(chǎn)使用中。這或許會給未來電子產(chǎn)品的設(shè)計帶來極大顛覆。
 

圖 | 芯片過熱（來源：creative soul/Adobe Stock）
 

對于生活中常用的電子產(chǎn)品，我們知道在筆記本電腦的設(shè)計過程中，既要考慮用戶使用時的舒適性，又要考慮內(nèi)部各組件的散熱問題是否會影響性能和電腦壽命。最佳的辦法可能是掌托及鍵盤部分采用隔熱設(shè)計，避免熱量直接與手接觸；同時， 機(jī)身底部采用高導(dǎo)熱性材枓來加強(qiáng)散熱功能。
 

這種新型的隔熱薄膜，既可以保護(hù)使用手感，又可以在需要散熱的位置形成一個良好的導(dǎo)熱通道。此外，依靠其超薄的特性，還給筆記本電腦提供了極大的設(shè)計空間，以實(shí)現(xiàn)在提高輕薄性的同時，又保證性能的強(qiáng)悍性。
 

對于智能手機(jī)、平板電腦等其他電子設(shè)備來說，它們是追求散熱還是隔熱的問題一直困擾著工程師。對于 SoC（System on Chip，系統(tǒng)級芯片）來說，單純追求隔熱，會導(dǎo)致機(jī)身內(nèi)部溫度過高，SoC 則需要降頻；而如果只追求散熱，就會導(dǎo)致機(jī)身“燙手”，影響用戶的使用體驗。而該新型隔熱薄膜可能就是平衡上述問題的良方。
 

負(fù)責(zé)人 Pop 對外表示：“作為工程師，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多關(guān)于如何控制電力的知識，我們對光的掌握也變得越來越好。但是我們才剛剛開始了解如何控制在原子尺度上表現(xiàn)為‘熱’的高頻聲音。”
 

其實(shí)在開發(fā)更薄絕熱體這一近期目標(biāo)的背后，可以看出科學(xué)家們潛藏的野心——他們希望有一天能像現(xiàn)在控制電和光那樣，去控制材料內(nèi)部的振動能量。而這可能會給未來人們所使用的電子產(chǎn)品，帶來天翻地覆的變化。


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