科学家利用纳米级金超材料大幅增强了跨越微小间隙的热传递，实现了高达同类传统系统四倍的能量流。这一突破有望带来更优的芯片冷却技术、更高效的能源技术，并开启精密热工程的新时代。
卡内基梅隆大学的研究人员与斯坦福大学和普渡大学的合作者合作，展示了一种在纳米尺度控制热量的强大新方法。他们的发现发表在《自然》杂志上，提供了强有力的实验证据，证明利用专门设计的超材料，可以对热传递进行有意设计并显著增强。
热量如何穿过微小间隙
这项研究聚焦于一种被称为近场辐射热传递的现象。当两个物体之间的间隔极小，仅有几百纳米时，热量在它们之间的传递效率要比普通条件下高得多。
热能不再只是简单地向外辐射，而是可以通过电磁波有效地隧穿过狭窄的间隙。这一过程允许比通常预期多得多的热量从一个物体流向另一个物体。
科学家们多年来一直了解这种效应，但如何在实验上演示如何显著增强这一效应一直是一项挑战。
超材料增强热传递
为了实现这一目标，研究人员转向了超材料，这是一种包含微观重复结构的工程材料，其设计旨在以高度受控的方式与能量进行相互作用。
“与常规材料不同，超材料由微小的重复图案构成，能以精确的方式与能量相互作用，”卡内基梅隆大学机械工程教授、该研究的资深作者盛申说道。“我们在薄膜上制备了微观金结构，并将它们面对面放置在纳米级间隙两端。与不含超材料的类似装置相比，这使热传递增加了四倍，这一结果远超传统物理学对较大距离下的预测。”
该团队的实验表明，这种金图案结构显著增加了穿过间隙的热量，其热传递率比缺乏这种工程图案的同类系统高出四倍。
效应背后的科学原理
这种增强不仅仅是增加了热量传递路径的结果。
“金结构并非简单地增加了热量传递的路径，而是与材料中自然存在的能量波（即表面声子极化激元）发生相互作用，从而产生共振效应，”申教授研究小组的博士生、该研究的共同第一作者王泽晓说道。“这些耦合振动使得能量能够更自由、更高效地穿过间隙。”
据研究人员介绍，这种效应的出现归因于微观结构与材料固有能量波的协同作用。
“这是一种协同效应，”申说道，“结构和材料彼此增强。”
在电子和能源领域的潜在应用
这一发现可能具有重要的实际应用价值。随着电子设备变得越来越小、功能越来越强，如何移除多余热量已成为最重大的工程挑战之一。
能够更有效地引导和控制热量，可能会为计算机芯片和其他高性能电子系统带来改进的冷却方法。
这些发现也可能造福于能源技术。被称为热光伏的系统通过将热辐射转化为可用能量，利用热量产生电力。提高热辐射传递的效率有助于使这些技术更加可行。
此外，涉及红外传感的应用也能从更强、控制更精确的热信号中受益。其潜在用途涵盖从环境监测到国家安全等多个领域。
迈向热量工程化的一步
尽管实验是在精心控制的实验室条件下进行的，且目前仅限于纳米级系统，但这项工作代表了从理论预测走向现实演示的重要进展。
“如果热量能像电或光一样被精确地设计和调控，这可能会为新一代技术打开大门，这些技术不仅仅是耐热，更是为了驾驭热量，”申说道。
这项工作得到了国防威胁降低局、国家科学基金会和空军科学研究局的支持。盛申和范汕洄是通讯作者。王泽晓、余人文和Hakan Salihoglu对这项工作做出了同等贡献。