如今，智能手機、筆記本電腦和其他電子設備在我們工作生活中的占比與日俱增，我們對這些設備的使用手感也變得愈發(fā)挑剔起來。設備過熱，會讓人十分討厭，比如拿著燙手或者擔心家長摸主機查崗等。除此之外，設備過熱還可能導致一些元件發(fā)生故障；在極端情況下，甚至還可能導致鋰電池爆炸。

工程師們?yōu)榱吮苊怆娮釉O備發(fā)生過熱的情況，可謂是用盡渾身解數。他們通常用玻璃、塑料，或者多層空氣作為隔熱材料，來防止微處理器等發(fā)熱元件產生的熱量對其他元件造成損害，或者讓用戶感到不滿。而電子設備不斷小型化的發(fā)展趨勢，對于隔熱材料乃至整個隔熱系統(tǒng)的設計，著實給工程師帶來不小的挑戰(zhàn)。

然而近日，斯坦福大學研究人員的新發(fā)現，可以在未來幫助工程師解決小型化電子設備的隔熱設計問題。他們的實驗已經證明了，僅用幾個原子厚的材料，就可以達到比其厚 100 倍的玻璃可提供的相同隔熱效果。

斯坦福大學材料科學與工程學院、電氣工程學院的教授 Eric Pop，同樣也是這項研究的負責人說：“該發(fā)現可以較快地投入到應用領域，更薄的隔熱層將幫助工程師設計出比現有結構更緊湊的電子設備。”這項研究發(fā)表在   Science Advances   雜志上。

對于這項研究的獨特之處，Pop 說：“我們的研究團隊正以一種全新的方式看待電子設備中的熱量——將其看作聲音。”

圖 | “燃燒”的聲波曲線（來源：DeepTech）

把熱當聲音來研究

你是否能想象，我們平時使用筆記本電腦或手機時，感受到的熱量其實是一種聲音？當然，不是筆記本電腦風扇的嗡嗡聲。

如果你覺得這聽起來有些不靠譜，那仔細考慮一下我們學過的基礎物理知識。電線中形成電流，是依靠電子在其中運動形成電子流。當這些電子運動時，就會與它們所經過材料中的原子相碰撞（比如電阻），每發(fā)生一次碰撞，就會引起材料中的一個原子振動。電流越大，碰撞也就越頻繁，最終可能就會發(fā)展為電子像撞鐘一樣不斷敲擊原子——而這種“刺耳”的震動遠高于人們的聽力閾值，所以對于其產生的能量，我們的感覺是熱。

我國古代道家的哲學術語“心靜自然涼”，辯證地來看，是不是也有么一點兒“如果周遭聲音太過嘈雜，人們就會感覺燥熱”的意思在里面呢。

說回斯坦福大學的發(fā)現，研究人員也正是有了“把熱看作一種聲音形式”的想法，進而激發(fā)了他們從物理世界中借鑒一些原理的求知欲。Pop 曾在斯坦福大學的校廣播電臺—— KZSU 90.1 FM 做過電臺 DJ，那時他就發(fā)現音樂錄音棚里很安靜，是因為有專門設計的厚厚玻璃窗隔絕了外面的聲音。

目前電子產品的隔熱設計也與上述原理相似，如何更好地隔熱是工程師們永恒的話題。如果參考錄音室增加或增厚隔音玻璃，去增添隔熱材料，那就會阻礙電子產品向著更輕薄的方向發(fā)展。所以斯坦福大學的研究人員借鑒了多層玻璃讓室內更保暖的技巧（在不同厚度的玻璃之間填充一層空氣），設計出一種多層結構的材料薄膜。
圖 | A. 入射拉曼激光探測下，Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 “三明治”結構的截面示意圖；B ~ E. 在SiO2襯底上混合 4 層（B）和 3 層（C 到 E）異質結構的橫截面截圖，由于碳原子的原子數相對較低，在每個異質結構頂部的單層石墨烯很難被識別出來（來源：Science Advances ）

創(chuàng)新的“三明治”結構設計

納米材料的異質結構能夠集成各個結構基元的性質，可實現對原子和電子結構的調制，從而獲得新的功能。這使納米異質結構的合成設計成為一個充滿機遇和挑戰(zhàn)的新興領域，它能讓更先進的電子和光子學應用成為可能。但在熱應用領域，其相應的進展一直都比較緩慢。

斯坦福大學這次取得了突破，其研究團隊通過將原子薄厚的二維材料分層堆疊的方式，開發(fā)出一種擁有超高隔熱性能的超薄異質結構。他們成功地將單層石墨烯、MoS2 和 WSe2 堆疊在一起，這樣形成的薄膜材料的熱阻是 SiO2 的 100 倍，并且在室溫條件下導熱效率優(yōu)于空氣。

在這個“三明治”結構中，石墨烯是單層的，而另外 3 種片狀材料均為 3 個原子厚。這樣就制成了只有 10 個原子厚的 4 層絕熱體。不要以為這種絕熱體很薄就沒有效果，該結構可以很好地抑制原子的熱振動，當原子通過每一層時，都會損失大部分能量。
圖 | 4 層結構薄膜傳熱測試的截面示意圖——電流在石墨烯頂層流動，熱量在各層間消散，最后只有極少的熱量傳入基底（來源：Science Advances ）

與此同時，研究人員還對該“三明治”每層材料的熱阻進行了分析。他們通過一個穩(wěn)定的熱源對其進行加熱，并分別對每層進行監(jiān)控。結果表明，“三明治”的每一層在傳熱過程中都起到了很好的隔熱效果，并且表現是線性穩(wěn)定的。
圖 | 4 層結構的 SThM 熱圖，顯示出通道內均勻的溫度分布，證實了疊層中熱層間耦合的均勻性（來源：Science Advances ）

未來的應用前景

新型材料結構在可以切實地投入到應用層面之前，一定都會面臨同樣的問題，就是如何實現大規(guī)模的生產。這個問題在二維材料領域，尤其對于如此之薄的材料結構，更是尤為艱難。

斯坦福大學的研究人員表示，他們已經著手去尋找一些大規(guī)模生產的技術，可能會是在制造過程中向電子元件噴射，也可能是以薄膜材料沉積的方式來實現該“三明治”薄層的設計。

研究團隊對于將發(fā)現落實到應用十分有信心，他們認為不用很長時間就可以將該發(fā)現投入到生產使用中。這或許會給未來電子產品的設計帶來極大顛覆。

圖 | 芯片過熱（來源：creative soul/Adobe Stock）

對于生活中常用的電子產品，我們知道在筆記本電腦的設計過程中，既要考慮用戶使用時的舒適性，又要考慮內部各組件的散熱問題是否會影響性能和電腦壽命。最佳的辦法可能是掌托及鍵盤部分采用隔熱設計，避免熱量直接與手接觸；同時， 機身底部采用高導熱性材枓來加強散熱功能。

這種新型的隔熱薄膜，既可以保護使用手感，又可以在需要散熱的位置形成一個良好的導熱通道。此外，依靠其超薄的特性，還給筆記本電腦提供了極大的設計空間，以實現在提高輕薄性的同時，又保證性能的強悍性。

對于智能手機、平板電腦等其他電子設備來說，它們是追求散熱還是隔熱的問題一直困擾著工程師。對于 SoC（System on Chip，系統(tǒng)級芯片）來說，單純追求隔熱，會導致機身內部溫度過高，SoC 則需要降頻；而如果只追求散熱，就會導致機身“燙手”，影響用戶的使用體驗。而該新型隔熱薄膜可能就是平衡上述問題的良方。

負責人 Pop 對外表示：“作為工程師，我們已經學習了很多關于如何控制電力的知識，我們對光的掌握也變得越來越好。但是我們才剛剛開始了解如何控制在原子尺度上表現為‘熱’的高頻聲音?！?br />
其實在開發(fā)更薄絕熱體這一近期目標的背后，可以看出科學家們潛藏的野心——他們希望有一天能像現在控制電和光那樣，去控制材料內部的振動能量。而這可能會給未來人們所使用的電子產品，帶來天翻地覆的變化。

海南隔熱材料