史丹福大學的研究人員研製出了一種只有10個原子疊起來這麼薄的隔熱層,將為電子設備隔熱技術帶來革命,更開闢了一個全新的研究領域:如同控制光和電一樣,控制材料內部能量振動的技術。

手機、筆記本電腦發熱問題有時會導致大麻煩,比如鋰電池爆炸等事故。史丹福大學的最新研究發明了一種只有10個原子厚的隔熱層,相當於普通紙張厚度的5萬分之一,隔熱效果相當於現有技術需要100倍厚度玻璃材料製造的隔熱層。在不遠的將來,這種技術可用於製造更小巧、輕薄的手機和電子產品。

熱量是一種人耳聽不到的聲波

研究人員意識到,手機和筆記本電腦發出的熱量,其實是一種人耳聽不到的聲波。為什麼這麼說呢?

研究人員解釋說,在電纜中傳播的電流就是一組流動的電子。這些電子移動的時候與電纜材料內部的原子碰撞。每次碰撞,電子都讓原子發生振動,電流越強,這些碰撞越多。電子與原子的撞擊猶如大量的錘子敲擊眾多的鈴鐺一樣。唯一不同的是,這些原子振動波的頻率遠高於人耳可以聽到的音頻範圍,人們能感受得到的只有熱量而已。因此也可以說熱量是聲音的一種形式。

原子級別厚度的材料

主要研究人員之一、史丹福大學的電氣工程教授埃裏克‧波普(Eric Pop),從他早年在校辦KZSU 90.1 FM電台當DJ的經歷中得到啟發:厚厚的玻璃有著很好的隔音效果,讓播音室完全不受外界聲音的干擾。

他想到,隔音的技術應該也可用於隔熱,但是玻璃隔音層太厚。於是又借鑑了房屋隔熱窗的技術:以多層玻璃材料分隔多層不同厚度的空氣,從而讓房間保暖、隔音。

這份研究的主要作者薩姆‧瓦齊里(Sam Vaziri)說:「我們借鑑了這種技術,用幾層原子厚的材料代替玻璃製造了隔熱層。」

原子級別厚度的材料也是近幾年的新技術。15年前,科學家才有能力將材料分離為原子厚度級別的層次。比如只有幾個碳原子厚的石墨烯薄層就是第一個成功的應用。

在這份研究中,斯坦福研究組用一層石墨烯,加上三層每層3個原子厚的其他材料,造出了一共只有10個原子厚的隔熱材料。原子的熱振動每經過其中一層,都會損失很大能量,因此隔絕效果很好。

不過,要想投入實際應用,研究人員還必須找到一種在製造過程中可以大規模地將這種材料附著到電子元件上的工藝,比如噴塗或者其他辦法。

全新的研究領域

除了製造超薄隔絕層,研究人員還有更大的雄心:希望將來能像現在控制電流和光線一樣,控制材料內部的能量振動。隨著科學家對聲音和熱量的本質的更深認識,一個全新的、結合電話、留聲機、語音的全新研究領域——聲子學(Phononics)正在興起。

「作為工程師,我們對電流已有不錯的了解,對光的認識也在加深,現在我們開始研究如何控制在原子層面、表現為熱量的高頻聲波。」#