超薄隔超薄隔热材料问世:只有十个原子厚,或将颠覆便携电子设备的设计热材料问世:只有十个原子厚,或将颠覆便携电子设备的设计

如今,智能手机、笔记本电脑和其他电子设备在我们工作生活中的占比与日俱增,我们对这些设备的使用手感也变得愈发挑剔起来。设备过热,会让

                                               如今,智能手机、笔记本电脑和其他电子设备在我们工作生活中的占比与日俱增,我们对这些设备的使用手感也变得愈发挑剔起来。设备过热,会让人十分讨厌,比如拿着烫手或者担心家长摸主机查岗等。除此之外,设备过热还可能导致一些元件发生故障;在极端情况下,甚至还可能导致锂电池爆炸。

工程师们为了避免电子设备发生过热的情况,可谓是用尽浑身解数。他们通常用玻璃、塑料,或者多层空气作为隔热材料,来防止微处理器等发热元件产生的热量对其他元件造成损害,或者让用户感到不满。而电子设备不断小型化的发展趋势,对于隔热材料乃至整个隔热系统的设计,着实给工程师带来不小的挑战。

然而近日,斯坦福大学研究人员的新发现,可以在未来帮助工程师解决小型化电子设备的隔热设计问题。他们的实验已经证明了,仅用几个原子厚的材料,就可以达到比其厚 100 倍的玻璃可提供的相同隔热效果。

斯坦福大学材料科学与工程学院、电气工程学院的教授 Eric Pop,同样也是这项研究的负责人说:“该发现可以较快地投入到应用领域,更薄的隔热层将帮助工程师设计出比现有结构更紧凑的电子设备。”这项研究发表在 Science Advances 杂志上。

对于这项研究的独特之处,Pop 说:“我们的研究团队正以一种全新的方式看待电子设备中的热量——将其看作声音。”

图 | “燃烧”的声波曲线(来源:DeepTech)


把热当声音来研究

你是否能想象,我们平时使用笔记本电脑或手机时,感受到的热量其实是一种声音?当然,不是笔记本电脑风扇的嗡嗡声。

如果你觉得这听起来有些不靠谱,那仔细考虑一下我们学过的基础物理知识。电线中形成电流,是依靠电子在其中运动形成电子流。当这些电子运动时,就会与它们所经过材料中的原子相碰撞(比如电阻),每发生一次碰撞,就会引起材料中的一个原子振动。电流越大,碰撞也就越频繁,最终可能就会发展为电子像撞钟一样不断敲击原子——而这种“刺耳”的震动远高于人们的听力阈值,所以对于其产生的能量,我们的感觉是热。

我国古代道家的哲学术语“心静自然凉”,辩证地来看,是不是也有么一点儿“如果周遭声音太过嘈杂,人们就会感觉燥热”的意思在里面呢。

说回斯坦福大学的发现,研究人员也正是有了“把热看作一种声音形式”的想法,进而激发了他们从物理世界中借鉴一些原理的求知欲。Pop 曾在斯坦福大学的校广播电台—— KZSU 90.1 FM 做过电台 DJ,那时他就发现音乐录音棚里很安静,是因为有专门设计的厚厚玻璃窗隔绝了外面的声音。

目前电子产品的隔热设计也与上述原理相似,如何更好地隔热是工程师们永恒的话题。如果参考录音室增加或增厚隔音玻璃,去增添隔热材料,那就会阻碍电子产品向着更轻薄的方向发展。所以斯坦福大学的研究人员借鉴了多层玻璃让室内更保暖的技巧(在不同厚度的玻璃之间填充一层空气),设计出一种多层结构的材料薄膜。


图 | A. 入射拉曼激光探测下,Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 “三明治”结构的截面示意图;B ~ E. 在SiO2衬底上混合 4 层(B)和 3 层(C 到 E)异质结构的横截面截图,由于碳原子的原子数相对较低,在每个异质结构顶部的单层石墨烯很难被识别出来(来源:Science Advances )

创新的“三明治”结构设计

纳米材料的异质结构能够集成各个结构基元的性质,可实现对原子和电子结构的调制,从而获得新的功能。这使纳米异质结构的合成设计成为一个充满机遇和挑战的新兴领域,它能让更先进的电子和光子学应用成为可能。但在热应用领域,其相应的进展一直都比较缓慢。

斯坦福大学这次取得了突破,其研究团队通过将原子薄厚的二维材料分层堆叠的方式,开发出一种拥有超高隔热性能的超薄异质结构。他们成功地将单层石墨烯、MoS2 和 WSe2 堆叠在一起,这样形成的薄膜材料的热阻是 SiO2 的 100 倍,并且在室温条件下导热效率优于空气。

在这个“三明治”结构中,石墨烯是单层的,而另外 3 种片状材料均为 3 个原子厚。这样就制成了只有 10 个原子厚的 4 层绝热体。不要以为这种绝热体很薄就没有效果,该结构可以很好地抑制原子的热振动,当原子通过每一层时,都会损失大部分能量。


图 | 4 层结构薄膜传热测试的截面示意图——电流在石墨烯顶层流动,热量在各层间消散,最后只有极少的热量传入基底(来源:Science Advances )

与此同时,研究人员还对该“三明治”每层材料的热阻进行了分析。他们通过一个稳定的热源对其进行加热,并分别对每层进行监控。结果表明,“三明治”的每一层在传热过程中都起到了很好的隔热效果,并且表现是线性稳定的。


图 | 4 层结构的 SThM 热图,显示出通道内均匀的温度分布,证实了叠层中热层间耦合的均匀性(来源:Science Advances )

未来的应用前景

新型材料结构在可以切实地投入到应用层面之前,一定都会面临同样的问题,就是如何实现大规模的生产。这个问题在二维材料领域,尤其对于如此之薄的材料结构,更是尤为艰难。

斯坦福大学的研究人员表示,他们已经着手去寻找一些大规模生产的技术,可能会是在制造过程中向电子元件喷射,也可能是以薄膜材料沉积的方式来实现该“三明治”薄层的设计。

研究团队对于将发现落实到应用十分有信心,他们认为不用很长时间就可以将该发现投入到生产使用中。这或许会给未来电子产品的设计带来极大颠覆。

图 | 芯片过热(来源:creative soul/Adobe Stock)

对于生活中常用的电子产品,我们知道在笔记本电脑的设计过程中,既要考虑用户使用时的舒适性,又要考虑内部各组件的散热问题是否会影响性能和电脑寿命。最佳的办法可能是掌托及键盘部分采用隔热设计,避免热量直接与手接触;同时, 机身底部采用高导热性材枓来加强散热功能。

这种新型的隔热薄膜,既可以保护使用手感,又可以在需要散热的位置形成一个良好的导热通道。此外,依靠其超薄的特性,还给笔记本电脑提供了极大的设计空间,以实现在提高轻薄性的同时,又保证性能的强悍性。

对于智能手机、平板电脑等其他电子设备来说,它们是追求散热还是隔热的问题一直困扰着工程师。对于 SoC(System on Chip,系统级芯片)来说,单纯追求隔热,会导致机身内部温度过高,SoC 则需要降频;而如果只追求散热,就会导致机身“烫手”,影响用户的使用体验。而该新型隔热薄膜可能就是平衡上述问题的良方。

负责人 Pop 对外表示:“作为工程师,我们已经学习了很多关于如何控制电力的知识,我们对光的掌握也变得越来越好。但是我们才刚刚开始了解如何控制在原子尺度上表现为‘热’的高频声音。”

其实在开发更薄绝热体这一近期目标的背后,可以看出科学家们潜藏的野心——他们希望有一天能像现在控制电和光那样,去控制材料内部的振动能量。而这可能会给未来人们所使用的电子产品,带来天翻地覆的变化。


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