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：
- Chu, J., & MIT News Office. (2019, March 14). Exotic “second sound” phenomenon observed in pencil lead. Retrieved April 22, 2019.
- 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
- The Keith Nelson Group. (2019, April 17). Second sound in graphite at temperatures above 100 K. Retrieved April 29, 2019