来源： 作者： 发布时间：2019-09-01

 

 如今，智能手机、笔记本电脑和其他电子设备在我们工作生活中的占比与日俱增，我们对这些设备的使用手感也变得愈发挑剔起来。设备过热，会让人十分讨厌，比如拿着烫手或者担心家长摸主机查岗等。除此之外，设备过热还可能导致一些元件发生故障；在极端情况下，甚至还可能导致锂电池爆炸。

工程师们为了避免电子设备发生过热的情况，可谓是用尽浑身解数。他们通常用玻璃、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损害，或者让用户感到不满。而电子设备不断小型化的发展趋势，对于隔热材料乃至整个隔热系统的设计，着实给工程师带来不小的挑战。

然而近日，斯坦福大学研究人员的新发现，可以在未来帮助工程师解决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 倍的玻璃可提供的相同隔热效果。

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负责人说：“该发现可以较快地投入到应用领域，更薄的隔热层将帮助工程师设计出比现有结构更紧凑的电子设备。”这项研究发表在 Science Advances 杂志上。

对于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方式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，我们平时使用笔记本电脑或手机时，感受到的热量其实是一种声音？当然，不是笔记本电脑风扇的嗡嗡声。

如果你觉得这听起来有些不靠谱，那仔细考虑一下我们学过的基础物理知识。电线中形成电流，是依靠电子在其中运动形成电子流。当这些电子运动时，就会与它们所经过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，最终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”的震动远高于人们的听力阈值，所以对于其产生的能量，我们的感觉是热。

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“如果周遭声音太过嘈杂，人们就会感觉燥热”的意思在里面呢。

说回斯坦福大学的发现，研究人员也正是有了“把热看作一种声音形式”的想法，进而激发了他们从物理世界中借鉴一些原理的求知欲。Pop 曾在斯坦福大学的校广播电台—— KZSU 90.1 FM 做过电台 DJ，那时他就发现音乐录音棚里很安静，是因为有专门设计的厚厚玻璃窗隔绝了外面的声音。

目前电子产品的隔热设计也与上述原理相似，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，去增添隔热材料，那就会阻碍电子产品向着更轻薄的方向发展。所以斯坦福大学的研究人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填充一层空气），设计出一种多层结构的材料薄膜。

图 | A. 入射拉曼激光探测下，Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 “三明治”结构的截面示意图；B ~ E. 在SiO2衬底上混合 4 层（B）和 3 层（C 到 E）异质结构的横截面截图，由于碳原子的原子数相对较低，在每个异质结构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”结构设计

纳米材料的异质结构能够集成各个结构基元的性质，可实现对原子和电子结构的调制，从而获得新的功能。这使纳米异质结构的合成设计成为一个充满机遇和挑战的新兴领域，它能让更先进的电子和光子学应用成为可能。但在热应用领域，其相应的进展一直都比较缓慢。

斯坦福大学这次取得了突破，其研究团队通过将原子薄厚的二维材料分层堆叠的方式，开发出一种拥有超高隔热性能的超薄异质结构。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”结构中，石墨烯是单层的，而另外 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，该结构可以很好地抑制原子的热振动，当原子通过每一层时，都会损失大部分能量。

图 | 4 层结构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，最后只有极少的热量传入基底（来源：Science Advances ）

与此同时，研究人员还对该“三明治”每层材料的热阻进行了分析。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 层结构的 SThM 热图，显示出通道内均匀的温度分布，证实了叠层中热层间耦合的均匀性（来源：Science Advances ）

未来的应用前景

新型材料结构在可以切实地投入到应用层面之前，一定都会面临同样的问题，就是如何实现大规模的生产。这个问题在二维材料领域，尤其对于如此之薄的材料结构，更是尤为艰难。

斯坦福大学的研究人员表示，他们已经着手去寻找一些大规模生产的技术，可能会是在制造过程中向电子元件喷射，也可能是以薄膜材料沉积的方式来实现该“三明治”薄层的设计。

研究团队对于将发现落实到应用十分有信心，他们认为不用很长时间就可以将该发现投入到生产使用中。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）

对于生活中常用的电子产品，我们知道在笔记本电脑的设计过程中，既要考虑用户使用时的舒适性，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用隔热设计，避免热量直接与手接触；同时， 机身底部采用高导热性材枓来加强散热功能。

这种新型的隔热薄膜，既可以保护使用手感，又可以在需要散热的位置形成一个良好的导热通道。此外，依靠其超薄的特性，还给笔记本电脑提供了极大的设计空间，以实现在提高轻薄性的同时，又保证性能的强悍性。

对于智能手机、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直困扰着工程师。对于 SoC（System on Chip，系统级芯片）来说，单纯追求隔热，会导致机身内部温度过高，SoC 则需要降频；而如果只追求散热，就会导致机身“烫手”，影响用户的使用体验。而该新型隔热薄膜可能就是平衡上述问题的良方。

负责人 Pop 对外表示：“作为工程师，我们已经学习了很多关于如何控制电力的知识，我们对光的掌握也变得越来越好。但是我们才刚刚开始了解如何控制在原子尺度上表现为‘热’的高频声音。”

其实在开发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控制电和光那样，去控制材料内部的振动能量。而这可能会给未来人们所使用的电子产品，带来天翻地覆的变化。