罕見傳熱現(xiàn)象靠『第二聲』實現(xiàn)瞬間冷卻的『鉛筆芯』

近日，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員們在石墨中發(fā)現(xiàn)了一種罕見的熱傳遞現(xiàn)象：熱量可以以聲波的形式傳導，即一種被稱為“第二聲”（Second Sound）的現(xiàn)象。

雖然這一發(fā)現(xiàn)聽起來比較抽象，但它足以顛覆我們對熱傳遞的普遍認知，再加上作為鉛筆芯的主要組成物質(zhì)石墨廉價且易得，該研究一旦取得突破性成果，就有望成為未來解決電子元件散熱難題的關鍵技術。

我們先想象一下水剛剛燒開時的情景，伴隨著水蒸氣不斷冒出，沸水將熱量傳遞給水壺，進而向周圍空氣傳遞，自然冷卻到室溫需要數(shù)十分鐘。但在“第二聲”的現(xiàn)象下，熱量可以在石墨中以聲波的形式和速度傳遞，就像是“將熱量從A點以音速轉移到了B點”，從而實現(xiàn)對A點的急速冷卻。

想要理解“第二聲”，我們必須從物體的微觀視角入手。通常情況下，結晶態(tài)固體的原子都會按一定規(guī)律排列在晶格上，就像很多人組成的方陣一樣，不同方陣可以代表不同物質(zhì)。熱量會以擴散的方式穿過晶體，在這一過程中產(chǎn)生振動，以“聲子”（Phonon）的形式傳導能量。這里的“聲子”并非真實存在的粒子，而是用來描述攜帶晶格振動能量的準粒子，我們可以將它視為“能量的載體”。它們會從熱源擴散出去，向周圍環(huán)境傳導熱量。但在一段時間內(nèi)，熱源通常會是最溫暖的區(qū)域，例如在很長一段時間內(nèi)，靠近自然冷卻中的燒水壺，仍然會感到它散發(fā)出的熱氣，溫度明顯高出周圍環(huán)境。這是因為熱量伴隨著空氣中的分子擴散，也會“反向散射”回到水壺中，減緩了散熱過程。這種現(xiàn)象也會出現(xiàn)在“聲子”身上。然而，在“第二聲”現(xiàn)象中，反向散射的情況會被嚴重抑制和壓縮。取而代之的是，“聲子”會遵守動量守恒定律，像海浪一樣被一波沖走，其中攜帶的熱量也就以波的形式傳導到別處。因此，最初的熱源會以接近音速的速度冷卻下來。

石墨烯原子結構

事實上，“第二聲”現(xiàn)象并非首次發(fā)現(xiàn)，只不過以前都是在 20 K（零下 253攝氏度）左右的極低溫環(huán)境中，而且研究使用的是高純度且極難控制的材料，比如超流液氦和量子氣體，幾乎沒有實際應用的價值。最新成果與以往不同，實驗環(huán)境溫度在80-120 K（零下193-153攝氏度）左右，雖然仍然與室溫相差很多，但并非遙不可及。而且石墨是一種非常常見的物質(zhì)，量產(chǎn)成本低廉，具有很大的應用潛力。最重要的是，經(jīng)過模擬計算，石墨的“二維表親”——石墨烯甚至可以在室溫（25攝氏度左右）下存在“第二聲”現(xiàn)象。

這次之所以能夠發(fā)現(xiàn)石墨的“第二聲”性質(zhì)，是受到了國際傳熱學的領軍人物、美國國家工程院院士、麻省理工學院機械工程系教授陳剛此前研究成果的啟發(fā)。陳剛教授針對石墨烯設計了一個理論模型，預測在一定的溫度范圍內(nèi)，石墨烯中“聲子”之間的相互作用會遵守動量守恒，從而可能產(chǎn)生“第二聲”現(xiàn)象。

而陳剛的學生，此篇論文的第一作者Sam Huberman使用同類的模型計算出，石墨也會展現(xiàn)類似的性質(zhì)。由于石墨更容易操控，他們便將其選為了第一個實驗對象。為了證明預測是否準確，他們使用了瞬態(tài)熱光柵技術，讓兩束激光交叉，向石墨樣本內(nèi)“注入”熱量，產(chǎn)生光的干涉圖樣——由交替的亮（波峰）和暗（波谷）線條構成，其中明亮的區(qū)域代表了熱量被吸收，黑暗的區(qū)域代表溫度較低。在測量溫度變化時，研究人員在干涉圖樣上引入了另一條激光束。通常情況下，熱量會慢慢在波峰和波谷之間傳遞，直到兩者溫度一致。但在石墨樣本上，波峰溫度以非?？斓乃俣冉档?，甚至變得比波谷溫度還低，兩者出現(xiàn)了反轉，就像波浪起伏一樣。成功在石墨上驗證理論模型之后，研究團隊將目光轉向了更棘手的石墨烯，它的二維結構導致瞬態(tài)熱光柵技術無法發(fā)揮作用，因此需要新的驗證技術。

不要小瞧“第二聲”這種快速的熱傳遞方式，它的應用潛力十分巨大，尤其是在計算機和電子元件領域。目前芯片上半導體的體積已經(jīng)小到納米級別，微型電子元件也在不斷縮小體積，但相關技術的發(fā)展一直飽受散熱問題困擾。如果在室溫條件下，石墨或石墨烯可以實現(xiàn)音速級別的熱量轉移效率，那就有望成為推動半導體和微型電子元件等領域進一步發(fā)展的關鍵技術，讓它們變得更小更精密，而散熱銅箔和散熱片等現(xiàn)有主流散熱手段都只能望塵莫及。

此項研究于3月 14日發(fā)表在《科學》（Science）。