罕見傳熱現象靠『第二聲』實現瞬間冷卻的『鉛筆芯』

近日，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員們在石墨中發現了一種罕見的熱傳遞現象：熱量可以以聲波的形式傳導，即一種被稱為“第二聲”（Second Sound）的現象。

雖然這一發現聽起來比較抽象，但它足以顛覆我們對熱傳遞的普遍認知，再加上作為鉛筆芯的主要組成物質石墨廉價且易得，該研究一旦取得突破性成果，就有望成為未來解決電子元件散熱難題的關鍵技術。

我們先想象一下水剛剛燒開時的情景，伴隨著水蒸氣不斷冒出，沸水將熱量傳遞給水壺，進而向周圍空氣傳遞，自然冷卻到室溫需要數十分鐘。但在“第二聲”的現象下，熱量可以在石墨中以聲波的形式和速度傳遞，就像是“將熱量從A點以音速轉移到了B點”，從而實現對A點的急速冷卻。

想要理解“第二聲”，我們必須從物體的微觀視角入手。通常情況下，結晶態固體的原子都會按一定規律排列在晶格上，就像很多人組成的方陣一樣，不同方陣可以代表不同物質。熱量會以擴散的方式穿過晶體，在這一過程中產生振動，以“聲子”（Phonon）的形式傳導能量。這里的“聲子”并非真實存在的粒子，而是用來描述攜帶晶格振動能量的準粒子，我們可以將它視為“能量的載體”。它們會從熱源擴散出去，向周圍環境傳導熱量。但在一段時間內，熱源通常會是最溫暖的區域，例如在很長一段時間內，靠近自然冷卻中的燒水壺，仍然會感到它散發出的熱氣，溫度明顯高出周圍環境。這是因為熱量伴隨著空氣中的分子擴散，也會“反向散射”回到水壺中，減緩了散熱過程。這種現象也會出現在“聲子”身上。然而，在“第二聲”現象中，反向散射的情況會被嚴重抑制和壓縮。取而代之的是，“聲子”會遵守動量守恒定律，像海浪一樣被一波沖走，其中攜帶的熱量也就以波的形式傳導到別處。因此，最初的熱源會以接近音速的速度冷卻下來。

石墨烯原子結構

事實上，“第二聲”現象并非首次發現，只不過以前都是在 20 K（零下 253攝氏度）左右的極低溫環境中，而且研究使用的是高純度且極難控制的材料，比如超流液氦和量子氣體，幾乎沒有實際應用的價值。最新成果與以往不同，實驗環境溫度在80-120 K（零下193-153攝氏度）左右，雖然仍然與室溫相差很多，但并非遙不可及。而且石墨是一種非常常見的物質，量產成本低廉，具有很大的應用潛力。最重要的是，經過模擬計算，石墨的“二維表親”——石墨烯甚至可以在室溫（25攝氏度左右）下存在“第二聲”現象。

這次之所以能夠發現石墨的“第二聲”性質，是受到了國際傳熱學的領軍人物、美國國家工程院院士、麻省理工學院機械工程系教授陳剛此前研究成果的啟發。陳剛教授針對石墨烯設計了一個理論模型，預測在一定的溫度范圍內，石墨烯中“聲子”之間的相互作用會遵守動量守恒，從而可能產生“第二聲”現象。

而陳剛的學生，此篇論文的第一作者Sam Huberman使用同類的模型計算出，石墨也會展現類似的性質。由于石墨更容易操控，他們便將其選為了第一個實驗對象。為了證明預測是否準確，他們使用了瞬態熱光柵技術，讓兩束激光交叉，向石墨樣本內“注入”熱量，產生光的干涉圖樣——由交替的亮（波峰）和暗（波谷）線條構成，其中明亮的區域代表了熱量被吸收，黑暗的區域代表溫度較低。在測量溫度變化時，研究人員在干涉圖樣上引入了另一條激光束。通常情況下，熱量會慢慢在波峰和波谷之間傳遞，直到兩者溫度一致。但在石墨樣本上，波峰溫度以非?？斓乃俣冉档?，甚至變得比波谷溫度還低，兩者出現了反轉，就像波浪起伏一樣。成功在石墨上驗證理論模型之后，研究團隊將目光轉向了更棘手的石墨烯，它的二維結構導致瞬態熱光柵技術無法發揮作用，因此需要新的驗證技術。

不要小瞧“第二聲”這種快速的熱傳遞方式，它的應用潛力十分巨大，尤其是在計算機和電子元件領域。目前芯片上半導體的體積已經小到納米級別，微型電子元件也在不斷縮小體積，但相關技術的發展一直飽受散熱問題困擾。如果在室溫條件下，石墨或石墨烯可以實現音速級別的熱量轉移效率，那就有望成為推動半導體和微型電子元件等領域進一步發展的關鍵技術，讓它們變得更小更精密，而散熱銅箔和散熱片等現有主流散熱手段都只能望塵莫及。

此項研究于3月 14日發表在《科學》（Science）。