超薄隔热材料问世：只有十个原子厚或将颠覆便携电子设备的设计

工程师们为了避免电子设备发生过热的情形，可谓是用尽浑身解数。
他们常日用玻璃、塑料，或者多层空气作为隔热材料，来防止微处理器等发热元件产生的热量对其他元件造成危害，或者让用户感到不满。

而电子设备不断小型化的发展趋势，对付隔热材料乃至全体隔热系统的设计，其实给工程师带来不小的寻衅。

然而近日，斯坦福大学研究职员的新创造，可以在未来帮助工程师办理小型化电子设备的隔热设计问题。
他们的实验已经证明了，仅用几个原子厚的材料，就可以达到比其厚 100 倍的玻璃可供应的相同隔热效果。

斯坦福大学材料科学与工程学院、电气工程学院的教授 Eric Pop，同样也是这项研究的卖力人说：“该创造可以较快地投入到运用领域，更薄的隔热层将帮助工程师设计出比现有构造更紧凑的电子设备。
”这项研究揭橥在 Science Advances 杂志上。

对付这项研究的独特之处，Pop 说：“我们的研究团队正以一种全新的办法看待电子设备中的热量——将其看作声音。
”

图 | “燃烧”的声波曲线（来源：DeepTech）

把热当声音来研究

你是否能想象，我们平时利用条记本电脑或手机时，感想熏染到的热量实在是一种声音？当然，不是条记本电脑风扇的嗡嗡声。

如果你以为这听起来有些不靠谱，那仔细考虑一下我们学过的根本物理知识。
电线中形成电流，是依赖电子在个中运动形成电子流。
当这些电子运动时，就会与它们所经由材料中的原子相碰撞（比如电阻），每发生一次碰撞，就会引起材料中的一个原子振动。
电流越大，碰撞也就越频繁，终极可能就会发展为电子像撞钟一样不断敲击原子——而这种“刺耳”的震撼远高于人们的听力阈值，以是对付其产生的能量，我们的觉得是热。

我国古代道家的哲学术语“心静自然凉”，辩证地来看，是不是也有么一点儿“如果周遭声音太过喧华，人们就会觉得燥热”的意思在里面呢。

说回斯坦福大学的创造，研究职员也正是有了“把热看作一种声音形式”的想法，进而引发了他们从物理天下中借鉴一些事理的求知欲。
Pop 曾在斯坦福大学的校广播电台—— KZSU 90.1 FM 做过电台 DJ，那时他就创造音乐录音棚里很安静，是由于有专门设计的厚厚玻璃窗隔绝了表面的声音。

目前电子产品的隔热设计也与上述事理相似，如何更好地隔热是工程师们永恒的话题。
如果参考录音室增加或增厚隔音玻璃，去增长隔热材料，那就会阻碍电子产品向着更轻薄的方向发展。
以是斯坦福大学的研究职员借鉴了多层玻璃让室内更保暖的技巧（在不同厚度的玻璃之间添补一层空气），设计出一种多层构造的材料薄膜。

图 | A. 入射拉曼激光探测下，Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 “三明治”构造的截面示意图；B ~ E. 在SiO2衬底上稠浊 4 层（B）和 3 层（C 到 E）异质构造的横截面截图，由于碳原子的原子数相对较低，在每个异质构造顶部的单层石墨烯很难被识别出来（来源：Science Advances ）

创新的“三明治”构造设计

纳米材料的异质构造能够集成各个构造基元的性子，可实现对原子和电子构造的调制，从而得到新的功能。
这使纳米异质构造的合成设计成为一个充满机遇和寻衅的新兴领域，它能让更前辈的电子和光子学运用成为可能。
但在热运用领域，其相应的进展一贯都比较缓慢。

斯坦福大学这次取得了打破，其研究团队通过将原子薄厚的二维材料分层堆叠的办法，开拓出一种拥有超高隔热性能的超薄异质构造。
他们成功地将单层石墨烯、MoS2 和 WSe2 堆叠在一起，这样形成的薄膜材料的热阻是 SiO2 的 100 倍，并且在室温条件下导热效率优于空气。

在这个“三明治”构造中，石墨烯是单层的，而其余 3 种片状材料均为 3 个原子厚。
这样就制成了只有 10 个原子厚的 4 层绝热体。
不要以为这种绝热体很薄就没有效果，该构造可以很好地抑制原子的热振动，当原子通过每一层时，都会丢失大部分能量。

图 | 4 层构造薄膜传热测试的截面示意图——电流在石墨烯顶层流动，热量在各层间消散，末了只有极少的热量传入基底（来源：Science Advances ）

与此同时，研究职员还对该“三明治”每层材料的热阻进行了剖析。
他们通过一个稳定的热源对其进行加热，并分别对每层进行监控。
结果表明，“三明治”的每一层在传热过程中都起到了很好的隔热效果，并且表现是线性稳定的。

图 | 4 层构造的 SThM 热图，显示出通道内均匀的温度分布，证明了叠层中热层间耦合的均匀性（来源：Science Advances ）

未来的运用前景

新型材料构造在可以切实地投入到运用层面之前，一定都会面临同样的问题，便是如何实现大规模的生产。
这个问题在二维材料领域，尤其对付如此之薄的材料构造，更是尤为困难。

斯坦福大学的研究职员表示，他们已经动手去探求一些大规模生产的技能，可能会是在制造过程中向电子元件喷射，也可能因此薄膜材料沉积的办法来实现该“三明治”薄层的设计。

研究团队对付将创造落实到运用十分有信心，他们认为不用很永劫光就可以将该创造投入莅临盆利用中。
这或许会给未来电子产品的设计带来极大颠覆。

图 | 芯片过热（来源：creative soul/Adobe Stock）

对付生活中常用的电子产品，我们知道在条记本电脑的设计过程中，既要考虑用户利用时的舒适性，又要考虑内部各组件的散热问题是否会影响性能和电脑寿命。
最佳的办法可能是掌托及键盘部分采取隔热设计，避免热量直接与手打仗；同时， 机身底部采取高导热性材枓来加强散热功能。

这种新型的隔热薄膜，既可以保护利用手感，又可以在须要散热的位置形成一个良好的导热通道。
此外，依赖其超薄的特性，还给条记本电脑供应了极大的设计空间，以实现在提高轻薄性的同时，又担保性能的刁悍性。

对付智好手机、平板电脑等其他电子设备来说，它们是追求散热还是隔热的问题一贯困扰着工程师。
对付 SoC（System on Chip，系统级芯片）来说，纯挚追求隔热，会导致机身内部温度过高，SoC 则须要降频；而如果只追求散热，就会导致机身“烫手”，影响用户的利用体验。
而该新型隔热薄膜可能便是平衡上述问题的良方。

卖力人 Pop 对外表示：“作为工程师，我们已经学习了很多关于如何掌握电力的知识，我们对光的节制也变得越来越好。
但是我们才刚刚开始理解如何掌握在原子尺度上表现为‘热’的高频声音。
”

其实在开拓更薄绝热体这一近期目标的背后，可以看出科学家们潜藏的野心——他们希望有一天能像现在掌握电和光那样，去掌握材料内部的振动能量。
而这可能会给未来人们所利用的电子产品，带来天翻地覆的变革。