下次你把水壺?zé)_的時(shí)候，設(shè)想一下這樣的情景：關(guān)掉爐子后，水壺不是保持熱度，慢慢地加熱周圍的廚房和爐子，而是迅速冷卻到室溫，它的熱量以滾燙的波形式迅速散去。我們知道熱量在日常生活中并不是這樣的。

但是現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院研究人員在一種相當(dāng)普通的材料中發(fā)現(xiàn)了這種看似不可信的熱傳遞模式，即所謂的“第二聲”。在120開爾文(-240華氏度)的溫度下，研究人員發(fā)現(xiàn)了清晰的跡象，表明熱量可以以波狀運(yùn)動(dòng)穿過石墨。當(dāng)熱量以接近音速的速度穿過物質(zhì)時(shí)，原本是熱的點(diǎn)會(huì)瞬間變冷。

博科園-科學(xué)科普：這種行為類似于聲音在空氣中傳播的波狀方式，因此科學(xué)家們將這種奇特的熱傳輸模式稱為“第二聲”。這一新結(jié)果代表了科學(xué)家觀測(cè)到第二種聲音的最高溫度。更重要的是，石墨是一種商業(yè)上可用的材料，相比之下，更純凈、更難控制的材料在20k(-420華氏度)的溫度下會(huì)發(fā)出第二聲，這種溫度會(huì)冷到無法進(jìn)行任何實(shí)際應(yīng)用。發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的這一發(fā)現(xiàn)表明，石墨，或許還有它的高性能相關(guān)材料石墨烯，可能以一種此前未被認(rèn)識(shí)到的方式，有效地去除微電子設(shè)備中的熱量。麻省理工學(xué)院(MIT)哈斯拉姆(Haslam)和杜威(Dewey)化學(xué)教授基思?尼爾森(Keith Nelson)表示：

在我們的電腦和電子產(chǎn)品等設(shè)備上，有一股巨大的推動(dòng)力，要把東西做得更小、更密集，而在這種規(guī)模下，熱管理變得更加困難；我們有充分的理由相信，在石墨烯中，即使在室溫下，“第二聲”也可能更明顯。如果事實(shí)證明石墨烯能夠有效地以波的形式去除熱量，那當(dāng)然是非常棒的。這一結(jié)果來自尼爾森的研究小組與機(jī)械工程和動(dòng)力工程教授陳剛(Gang Chen)的跨學(xué)科長(zhǎng)期合作。本文共同作者是麻省理工學(xué)院的Sam Huberman和Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding和Alexei Maznev。

通常情況下，熱以擴(kuò)散的方式通過晶體，由聲子或聲波振動(dòng)能量包攜帶。任何晶體微觀結(jié)構(gòu)都是由原子構(gòu)成的晶格，當(dāng)熱量通過材料時(shí)，晶格會(huì)發(fā)生振動(dòng)。這些晶格振動(dòng)，也就是聲子，最終把熱量帶走，從熱源中擴(kuò)散出去，盡管熱源仍然是最溫暖的區(qū)域，就像爐子上的水壺逐漸冷卻一樣。水壺仍然是最溫暖的地方，因?yàn)殡S著熱量被空氣中的分子帶走，這些分子不斷地向各個(gè)方向分散，包括回到水壺。這種“后向散射”也發(fā)生在聲子上，即使熱量散去，也能使固體的原始受熱區(qū)域保持溫度最高的位置。

然而，在表現(xiàn)出第二聲的材料中，這種后向散射受到嚴(yán)重抑制。相反，聲子會(huì)保持動(dòng)量，并一起疾馳而去，而儲(chǔ)存在聲子中的熱量會(huì)以波的形式傳遞。因此，最初被加熱的點(diǎn)幾乎立即冷卻，接近音速。研究團(tuán)隊(duì)之前的理論工作表明，在一定溫度范圍內(nèi)，石墨烯中的聲子可能主要以動(dòng)量守恒的方式相互作用，這表明石墨烯可能呈現(xiàn)“第二聲”。去年，實(shí)驗(yàn)室的一名成員胡伯曼很好奇，對(duì)于石墨等更普通的材料來說，情況是否也是如此。

在團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)的石墨烯工具基礎(chǔ)上，他開發(fā)了一個(gè)復(fù)雜模型來數(shù)值模擬石墨樣品中聲子的輸運(yùn)。對(duì)于每一個(gè)聲子，都根據(jù)它們的方向和能量，跟蹤每一個(gè)可能與其他聲子一起發(fā)生的散射事件。在50 K到室溫的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)在80到120 K的溫度下，熱量可能以類似于第二聲的方式流動(dòng)。休伯曼一直在與納爾遜所在小組的鄧肯合作另一個(gè)項(xiàng)目。當(dāng)他和鄧肯分享他的預(yù)測(cè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員決定對(duì)休伯曼的計(jì)算進(jìn)行測(cè)試。這是一次了不起的合作，瑞安在很短的時(shí)間內(nèi)放棄了一切來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

顛覆常規(guī)

實(shí)驗(yàn)以一個(gè)10平方毫米的小型商用石墨樣品為中心。利用一種叫做瞬態(tài)熱光柵的技術(shù)，他將兩束激光束交叉，使它們的光干涉在一小塊石墨表面產(chǎn)生“波紋”圖案。紋波波峰下的樣品區(qū)域被加熱了，而與紋波波谷相對(duì)應(yīng)的區(qū)域則沒有加熱。波峰之間的距離約為10微米。然后將第三束激光照射到樣品上，這束激光被波紋衍射，它的信號(hào)被一個(gè)光電探測(cè)器測(cè)量。這個(gè)信號(hào)與波紋圖案的高度成正比，波紋圖案的高度取決于波峰比波谷熱多少。

這樣就可以追蹤熱量是如何隨著時(shí)間的推移流過樣品。如果熱量在樣品中正常流動(dòng)，會(huì)看到表面的波紋隨著熱量從波峰轉(zhuǎn)移到波谷而慢慢減小，波紋圖案也隨之消失。相反，他在120K時(shí)觀察到“完全不同的行為”。在冷卻過程中，波峰并沒有逐漸衰減到與波谷相同的水平，相反，波峰實(shí)際上變得比波谷更冷，因此波紋圖案是相反的——這意味著在某些時(shí)候，熱量實(shí)際上從較冷的區(qū)域流向較熱區(qū)域。

這完全違背了日常經(jīng)驗(yàn)，也違背了幾乎所有材料在任何溫度下的熱傳導(dǎo)。這真的很像“第二聲”。根據(jù)休伯曼的預(yù)測(cè)，石墨的二維相對(duì)結(jié)構(gòu)——石墨烯，在接近或超過室溫的更高溫度下，也可能表現(xiàn)出第二聲的特性。尼爾森說：這是我關(guān)注的少數(shù)研究亮點(diǎn)之一，在這些亮點(diǎn)中，結(jié)果真的顛覆了通常的思考方式。更令人興奮的是，根據(jù)它的發(fā)展方向，未來可能會(huì)有有趣的應(yīng)用。從最基本角度來看，這是毫無疑問的，這是非常不尋常和令人興奮的。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?麻省理工學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aAV3548

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