新型態的熱傳機制或能為電子設備帶來更好的散熱能力 / Credit: Christine Daniloff

試想一壺剛燒開的沸水放在爐子上,關火後迅速冷卻至室溫,熱量就像波浪一樣傳遞與消散。這當然不符合日常經驗,但麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)的研究人員最近卻在一種相當普通的材料──石墨──中觀察到這種被稱為「第二類聲」(second sound)的熱傳模式。研究成果被發表在《科學》期刊(Science)上,讓人不禁好奇石墨烯(graphene)──二維排列的石墨──是否也有這種熱量傳遞方式。

第二類聲

晶體的微觀結構是原子晶格,當熱量通過材料時晶格會振動,而聲子(phonons)──可以想成是一單位的震動能量封包──以擴散方式從源頭帶走熱量。就像在爐子上逐漸冷卻的水壺,水壺的熱量被空氣分子帶走後往各個方向不斷散射,包括返回水壺。這種「反向散射」也發生在聲子上,即使熱量擴散,熱源仍會是最溫暖的點。

然而在表現第二類聲現象的材料中,這種反向散射被嚴重抑制。聲子會保存動量並離開最初的熱源,其中的熱量會以波的形式進行傳播且接近聲速,因此熱源幾乎立即冷卻。這種行為類似聲音在空氣中以波動方式傳播,因此科學家將這種異常的熱傳方式稱為「第二類聲」。

跨領域合作

此研究結果歸因於 MIT 化學系教授基思·尼爾森(Keith Nelson)與機械工程與動力工程學院教授陳剛(Gang Chen)兩研究室之間長期的跨學科合作。

陳教授先前的研究指出,石墨烯可能表現出第二類聲的現象。陳教授研究室的博士生胡柏曼(Sam Huberman)很好奇石墨是否也適用。以先前針對石墨烯開發的工具為基礎,胡柏曼建立了另一個用於模擬石墨中聲子傳輸的模型,發現在攝氏 -193 到 -153 度的溫度範圍內,熱量可能會以類似第二類聲的方式流動。

胡柏曼與尼爾森教授研究室的鄧肯(Ryan Duncan)分享他的預測後,鄧肯決定進行實驗驗證。他的實驗使用一種稱為瞬態熱光柵(transient thermal grating)的技術,將兩道交錯的光束打在石墨樣本上,因干涉而生成漣漪狀的波紋,讓波峰處被加熱,而波谷未被加熱。接著再照射第三道光束,以追蹤熱量隨時間流過樣本的方式。在攝氏 -153 度下進行的實驗結果中,鄧肯看到了熱量像聲波一般在石墨中傳導的明顯跡象。

大有可為

這項新結果刷新了科學家觀察到第二類聲的最高溫度,更重要的是,石墨比起更純淨、難以控制的材料更容易取得,原先這些材料在攝氏 -253 度時表現出第二類聲,但此溫度範圍實在難有任何實際應用。

根據胡柏曼的預測,石墨烯在更高的溫度,接近或甚至超過室溫時也可能表現出第二類聲的特性。如果屬實,那麼石墨烯可能是高密度微電子設備散熱降溫的實用選擇。

尼爾森表示:「我們將電子設備做得更小更密集,因而提升其熱量管理的困難度。有充分的理由相信石墨烯的第二類聲現象可能比石墨更明顯,即使在室溫下也是如此。如果事實證明石墨烯可以有效地將熱量以聲波形式移除,那肯定會很棒。」

參考資料:

  1. Chu, J., & MIT News Office. (2019, March 14). Exotic “second sound” phenomenon observed in pencil lead. Retrieved April 22, 2019.
  2. Huberman, S., Duncan, R. A., Chen, K., Song, B., Chiloyan, V., Ding, Z., . . . Nelson, K. A. (2019). Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K. Science. doi:10.1126/science.aav3548
  3. The Keith Nelson Group. (2019, April 17). Second sound in graphite at temperatures above 100 K. Retrieved April 29, 2019
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