导热系数是表征材料导热能力的固有参数,对于给定材料,其通常被认为是不可改变的,因此,导热系数也被认为是材料的重要的热物性参数之一。然而,最近的实验证明,这一常识性的经验是不成立。
机械工程学院、微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室青年教师杨决宽博士与美国范德比尔特大学(Vanderbilt University)的机械工程系李德玉教授合作,通过一组巧妙的实验,证明两根叠加在一起的硼纳米带的导热系数是可以被调控的。通过控制硼纳米带之间的界面属性,在室温下,两根叠加在一起的硼纳米带的导热系数比单根纳米带的导热系数可提高45%或者相同。该项研究成果于2011年12月11日发表在上《自然-纳米技术》期刊(Nature Nanotechnology)。
虽然他们的研究对象是硼纳米带,但是,研究结果具有普遍意义,他们发现 “造成这一结果的原因是结构中的部分能量载流子(声子)可以通过两个纳米带之间由范德华力形成的界面,而不被漫散射”,这一结论非常意外!该工作表明,可以采用一个全新的方式来控制固体材料中的声子输运,从而可能会对工业界产生显著影响,例如,在智能手机和电脑的设计、在光电子、激光器和发光二极管的设计方面以及在其它一些领域,可以利用这种模式实现对声子输运的有效控制,实现对芯片散热的主动调控或者提高热电材料的能量转换效率。
固体界面之间的范德华力是一种弱的静电吸引力。壁虎就是依靠其掌上绒毛与固体壁面之间的范德华力的相互作用,从而能在光滑壁面上行走。经典的声子输运模型认为,“声子在由范德华力形成的界面上将产生漫散射,从而减小声子通过界面的输运能力,进而降低材料的导热能力”。杨决宽博士的实验发现与这种传统的观点形成鲜明对比。实验研究工作表明,声子可以跨越范德华力形成的界面,而且没有被漫散射,从而显著提高双层纳米带的导热能力。更为重要的是这种增强的效果是可逆的。例如,当采用异丙醇润湿纳米带的界面时,双层纳米带的导热系数并没有提高;当采用纯酒精再次润湿界面,其导热系数可以显著提高;再次采用异丙醇润湿界面,又可将导热系数回落到低值。 调控材料的热物性一直是一件非常困难的事情,实现对纳米带导热系数的主动调控是这个实验的一大亮点。
这个新的发现可能被应用在计算机芯片等微电子器件的热管理上。今天,数十亿晶体管被集成在手指甲大小的芯片上,这些芯片将产生高密度热量,如何防止过热是一个挑战性的问题。事实上,热管理是今天的多核处理器设计背后的重要原因之一。更好地理解声子在界面上的输运是实现更好的微电子器件的热管理的关键。这一发现的另一个重要应用领域是在“复合材料”的设计上,如各种聚合物材料、纳米复合结构材料等。纳米复合结构材料的开发,可被应用在航空航天飞行器方面。(黄培林)