“熱力公路”：研究人員找出石墨在電子產(chǎn)品中的散熱途徑

來(lái)自東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的科學(xué)家們研究了熱能在純化的石墨帶中的流動(dòng)，并表明在某些條件下，熱量可以更像液體一樣移動(dòng)，而不是隨機(jī)擴(kuò)散。這項(xiàng)工作可以使電子設(shè)備的散熱效率更高，包括智能手機(jī)、電腦和LED等。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在特定條件下，熱量可以像流體一樣在純化的石墨中移動(dòng)，導(dǎo)致電子設(shè)備中更有效的散熱。這種現(xiàn)象被稱為 "聲子Poiseuille流"，觀察到的熱傳導(dǎo)率是天然石墨的兩倍以上，并在智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)和LED中具有潛在的應(yīng)用。資料來(lái)源：東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所

在對(duì)熱力學(xué)的現(xiàn)代理解之前，科學(xué)家們有時(shí)認(rèn)為熱是一種叫做"Caloric"的液體。然而，我們現(xiàn)在知道，熱量實(shí)際上是構(gòu)成材料的振動(dòng)原子或分子所擁有的隨機(jī)動(dòng)能。有時(shí)，這些振動(dòng)可以被認(rèn)為是被稱為聲子的物理粒子，它們是半導(dǎo)體中熱傳導(dǎo)的主要貢獻(xiàn)者。在某些材料中，如石墨，聲子的行為方式可能確實(shí)與流體非常相似。然而，這一理論仍然相對(duì)晦澀難懂。

現(xiàn)在，由東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)使用理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)更好地理解聲子的流體性質(zhì)。他們表明，當(dāng)石墨樣品由同位素純碳制成時(shí)，意味著只有碳-12原子存在，熱量可以更快地傳導(dǎo)，幾乎像水在管道中流動(dòng)一樣。這被稱為"聲子Poiseuille流"，是基于粘性流體在封閉管道中流動(dòng)的理論。這種效應(yīng)在溫度約為90開爾文的石墨中最為強(qiáng)烈。然而，天然石墨含有大約1%的其他碳同位素，特別是碳-13，這限制了天然樣品的這種效應(yīng)。

"我們的研究澄清了石墨中形成聲子Poiseuille流的理論標(biāo)準(zhǔn)，這種材料顯示出強(qiáng)烈的各向異性，這在以前是不清楚的，"主要作者黃鑫博士說(shuō)。

石墨在鉛筆芯當(dāng)中最常見(jiàn)，是非常便宜和容易生產(chǎn)的。因此，它已經(jīng)被用于一些電子設(shè)備的散熱，這些設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣。使用最多有0.02%碳-13的純化石墨，該團(tuán)隊(duì)能夠觀察到熱傳導(dǎo)率是天然石墨的兩倍多。這種增強(qiáng)只發(fā)生在一個(gè)特定的溫度范圍內(nèi)，這一事實(shí)證明聲子的流體式集體運(yùn)動(dòng)是一種機(jī)制。

高級(jí)作者M(jìn)asahiro Nomura教授說(shuō)："在傳統(tǒng)的Poiseuille流中，速度在中心附近是最高的，這就是我們實(shí)驗(yàn)中聲子所發(fā)生的情況。除了石墨之外，這種現(xiàn)象在固體氦和黑磷中也被觀察到。理論上，這種現(xiàn)象甚至在室溫下也是可能的。這項(xiàng)工作可以幫助保持敏感的計(jì)算機(jī)處理器的冷卻，即使它們?cè)谠O(shè)備內(nèi)的密度增加。"