纳米工程和热物理
从燧人氏钻木取火开始, 人类文明的发展就和“热能”息息相关. 现代科技史上, 瓦特改良的蒸汽机奠定了工业革命. 1822年, 傅里叶提出导热定律和传热方程的数学解法, 由此发展的傅里叶变换广泛应用在诸如音频、图像处理等众多领域. 到了 20世纪初, 普朗克关于黑体辐射的研究成为量子力学的开端. 2020年开始的新冠病毒疫情之后, 利用高温杀灭空气中的病毒也获得不少关注.
作为一个历久弥新的学科, 在科技发展日新月异的今天, 关于热的基础研究和前沿应用也在不断推进. 2005年, 《科学》杂志在创刊 125周年之际提出的 125个科学前沿问题中, 就包括地球这个巨系统的热能平衡问题:“温室效应会使地球温度上升多高? ” 2021年, 日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”的相关研究获得诺贝尔物理学奖. 同年, 上海交通大学携手《科学》杂志再次提出了 125个科学新问题, 特别关注了“物质传热的极限是什么? ”这个热物理的基础问题. 可以预见, 对于热物理深层机理的研究必将引发新的技术革新.
在电力紧缺的今天, 全球约 60%的能源都以废热的形式白白浪费. 从这个角度来讲, 热物理的进展对于我国最近强调的“碳达峰、碳中和”至关重要. 根据这一战略目标, 我国力争于 2030年二氧化碳排放达到峰值, 2060年实现碳中和. “双碳”目标与我国建成社会主义现代化强国的第二个百年奋斗目标相呼应. “十四五”作为“双碳”目标提出后的第一个五年规划期, 也是实现“双碳”目标的关键期和窗口期. 要实现这一伟大目标, 必须以能源科技创新为先导.
而在利用的和废弃的能源中, 占比最大的都是热能. 关于热能的研究涉及材料、电子器件、生物、能源等诸多学科, 纳米工程的引入为热物理的进展注入了新的活力. 除了废热回收, 微纳米电子器件、电池中的过热问题会直接影响其性能和使用寿命, 成为 5G、量子计算、芯片、电动汽车等国家战略技术领域目前的研究热点. 作为工程应用的基础, 我们对于热物理、尤其是纳米工程中热物理的认知还是远远不够的. 因此, 物理、工程、材料、电子等多学科的交叉研究将在上述新兴领域大有用武之地.
鉴于纳米关键热物理问题研究的挑战性与紧迫性, 《物理学报》特组织本专题, 并邀请国内外活跃在相关领域前沿的中青年专家撰稿, 从多个角度、跨学科、深入浅出地介绍最新热点研究成果并探讨基础科学和工程应用中的问题, 包括仿生辐射制冷、导热智能材料及应用、纳米相变材料与储热、量子技术需要的稀释制冷机、固体锂电池热管理、第三代半导体和芯片热管理、声子弱耦合与热输运和热调控等.
在此, 我们乐于和读者分享这些热物理的前沿进展, 也希望这些工作在不久的将来会深刻地影响人类的生活.
作为一个历久弥新的学科, 在科技发展日新月异的今天, 关于热的基础研究和前沿应用也在不断推进. 2005年, 《科学》杂志在创刊 125周年之际提出的 125个科学前沿问题中, 就包括地球这个巨系统的热能平衡问题:“温室效应会使地球温度上升多高? ” 2021年, 日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”的相关研究获得诺贝尔物理学奖. 同年, 上海交通大学携手《科学》杂志再次提出了 125个科学新问题, 特别关注了“物质传热的极限是什么? ”这个热物理的基础问题. 可以预见, 对于热物理深层机理的研究必将引发新的技术革新.
在电力紧缺的今天, 全球约 60%的能源都以废热的形式白白浪费. 从这个角度来讲, 热物理的进展对于我国最近强调的“碳达峰、碳中和”至关重要. 根据这一战略目标, 我国力争于 2030年二氧化碳排放达到峰值, 2060年实现碳中和. “双碳”目标与我国建成社会主义现代化强国的第二个百年奋斗目标相呼应. “十四五”作为“双碳”目标提出后的第一个五年规划期, 也是实现“双碳”目标的关键期和窗口期. 要实现这一伟大目标, 必须以能源科技创新为先导.
而在利用的和废弃的能源中, 占比最大的都是热能. 关于热能的研究涉及材料、电子器件、生物、能源等诸多学科, 纳米工程的引入为热物理的进展注入了新的活力. 除了废热回收, 微纳米电子器件、电池中的过热问题会直接影响其性能和使用寿命, 成为 5G、量子计算、芯片、电动汽车等国家战略技术领域目前的研究热点. 作为工程应用的基础, 我们对于热物理、尤其是纳米工程中热物理的认知还是远远不够的. 因此, 物理、工程、材料、电子等多学科的交叉研究将在上述新兴领域大有用武之地.
鉴于纳米关键热物理问题研究的挑战性与紧迫性, 《物理学报》特组织本专题, 并邀请国内外活跃在相关领域前沿的中青年专家撰稿, 从多个角度、跨学科、深入浅出地介绍最新热点研究成果并探讨基础科学和工程应用中的问题, 包括仿生辐射制冷、导热智能材料及应用、纳米相变材料与储热、量子技术需要的稀释制冷机、固体锂电池热管理、第三代半导体和芯片热管理、声子弱耦合与热输运和热调控等.
在此, 我们乐于和读者分享这些热物理的前沿进展, 也希望这些工作在不久的将来会深刻地影响人类的生活.
2021, 70 (23): 230202.
doi: 10.7498/aps.70.20211760
摘要 +
在低温物理和量子信息科学等学科的研究中, 持续保持稳定的mK级低温是至关重要的. 稀释制冷机是用来获得极低温的制冷装置, 它利用了超流态4He与其同位素3He的混合溶液在超低温下的相分离效应. 热交换器的性能是决定连续循环工作制冷机性能的关键因素. 在极低温下, 氦与金属之间存在巨大的界面热阻(即卡皮查热阻), 利用多孔的烧结金属颗粒来提高接触面积, 可以有效地解决热交换问题. 因此, 研究极低温下金属颗粒与液氦之间的热交换, 并以此为指导研制高性能的银粉烧结换热器具有重要的应用价值.
2021, 70 (23): 236502.
doi: 10.7498/aps.70.20211662
摘要 +
简单回顾了半导体材料的发展历史, 并以基于氮化镓的高电子迁移率晶体管为例, 介绍了第三代半导体器件的产热机制和热管理策略. 以β相氧化镓为例, 简单讨论了新兴的超宽禁带半导体的发展和热管理挑战. 然后重点讨论了一些界面键合技术用于半导体散热的进展, 同时指出这些器件中大量存在的界面散热的工程难题背后的科学问题: 界面传热的物理理解. 在回顾了之前界面传热的理论发展后, 指出了理解界面传热当前遇到的一些困难、机遇和方向.
2022, 71 (1): 014401.
doi: 10.7498/aps.71.20211889
摘要 +
空间技术等高新领域对智能高效的热控制技术的需求日益提高, 而实现智能热控制技术的关键是要实现材料的热物性智能调控, 于是热导率可响应外场变化的热智能材料成为了研究的焦点. 本文梳理了热智能材料的最新研究进展, 从调控机理、调控幅度、应用价值等角度出发, 介绍了纳米颗粒悬浮液、相变材料、软物质材料、受电化学调控的层状材料和受特定外场调控的材料等不同种类热智能材料的研究现状, 以及以热智能材料为基础的智能热控部件在空间技术等领域的应用. 最后, 本文对热智能材料未来的研究方向进行了探讨.
2022, 71 (1): 016501.
doi: 10.7498/aps.71.20211776
摘要 +
本文简单回顾了固液相变储热材料发展历程, 重点针对纳米多孔定形相变材料, 从材料层面的研发设计, 到热物理层面的微观限域空间负载、结晶、导热机理, 乃至围绕异相/异质匹配提出的显著提升相变蓄传热性能的强化手段进行了总结. 同时, 指出了目前受制于单一尺度孔径无法兼顾储释热的密度和速率的现状, 并探讨在此基础上借助新型多级尺度孔径的骨架材料以突破瓶颈的可能. 最后, 系统梳理了与之伴随的一系列亟待解决的科学问题、机遇和挑战.
2022, 71 (2): 024401.
doi: 10.7498/aps.71.20211854
摘要 +
辐射制冷是一种通过光谱调控来实现降温的新型制冷技术, 相比于传统的主动制冷技术, 如吸收式制冷、压缩制冷等, 具有独特的优势, 在环境保护和能源利用方面具有重要意义. 本文首先从辐射制冷的基本原理出发, 介绍了自然界中生物所具有的辐射降温特性. 不同生物通过其材料、微观结构、行为等实现辐射制冷调控, 为人类探究新型辐射制冷材料和器件带来了启发. 本文也归纳了生物的辐射制冷机制, 总结了生物结构的优化方法, 并介绍了当前仿生辐射制冷的研究进展, 对仿生辐射制冷的研究方向、应用前景和材料制备方法进行了展望. 高功率、智能化的辐射制冷材料和器件是未来仿生辐射制冷的重要发展方向, 先进微纳加工技术的融入将使仿生辐射制冷在未来具有更广阔的市场和应用.
2022, 71 (2): 026501.
doi: 10.7498/aps.71.20211887
摘要 +
本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义. 介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质, 以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作. 针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确, 非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战, 界面热输运模型与方法不足等问题, 系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题.
2022, 71 (2): 023601.
doi: 10.7498/aps.71.20211876
摘要 +
传统高分子聚合物是良好的电绝缘体和热绝缘体. 高分子聚合物具备质量轻、耐腐蚀、可加工、可穿戴、电绝缘、低成本等优异特性. 高分子聚合物被广泛应用于各种器件. 由于高分子材料的热导率比较低(0.1—0.5 W·m–1·K–1), 热管理(散热)面临严峻的挑战. 理论及实验工作表明, 先进高分子材料可以具有比传统传热材料(金属和陶瓷)更高热导率. Fermi-Pasta-Ulam (FPU)理论结果发现低维度原子链具有非常高的热导率. 广泛使用的聚乙烯热绝缘体可以被转变为热导体: 拉伸聚乙烯纳米纤维的热导率大约为104 W·m–1·K–1, 拉伸的聚乙烯薄膜热导率大约为62 W·m–1·K–1. 首先, 本文通过理论和实验结果总结导热高分子材料的传热机理研究进展, 并讨论了导热高分子聚合物的制备策略; 然后, 讨论了在传热机制及宏量制备方面, 高分子聚合物研究领域所面临的新挑战; 最后, 对导热高分子的热管理应用前景进行了展望. 例如, 导热高分子聚合物在耐腐蚀散热片、低成本太阳能热水收集器、可穿戴智能冷却服饰、电子绝缘却高导热的电子封装材料等领域具有不可替代的热管理应用前景.
2022, 71 (8): 086302.
doi: 10.7498/aps.71.20220036
摘要 +
纳米尺度热物理中的诸多新现象、新机制与声子弱耦合存在密切关联. 本文介绍了声子弱耦合机制, 以及相关的物理现象: 低维体系中热导率的尺寸效应、声子双温度现象和范德瓦耳斯堆叠界面的高热阻等. 同时概述了近年国内外学者对于这些新颖物理现象的前沿研究成果. 对声子弱耦合目前面临的问题, 例如理论模型如何加入声子波动性等, 进行了简要讨论和展望.
2022, 71 (8): 089201.
doi: 10.7498/aps.71.20212277
摘要 +
光热防冰防霜防雾表面作为一种新兴的技术, 因其出色的有效性和环境友好可持续的特点受到了各国学者的青睐. 本文聚焦太阳能光热防雾表面和超疏水太阳能光热防冰防霜表面的近期研究, 首先介绍太阳能光热表面及其机理, 然后分别介绍防雾领域和防冰防霜两个领域的主要工作. 以光热材料种类为分类依据总结不同光热材料表面的组成、制备方式、光学性能、疏水性能和防雾防冰防霜性能. 此外, 着重介绍了本联合课题组对光热表面的主要研究. 最后, 对光热防冰防霜防雾表面性能进行了总结与对比, 分析了光热表面目前的挑战与未来潜在的重要发展方向.
2022, 71 (16): 166501.
doi: 10.7498/aps.71.20220306
摘要 +
随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长, 控制其温度已成为电子信息产业发展和应用的迫切需求. 研发高性能热界面材料是热管理关键问题之一. 由于高导热特性，石墨烯基复合热界面材料成为研究热点. 从原子尺度深入理解复合体系中声子输运机理, 有助于提升复合体系导热性能. 本文从石墨烯内热阻和和复合体系界面热阻两方面介绍和讨论石墨烯复合体系导热的研究进展、导热机制以及调控方式. 最后对该方向研究成果和发展趋势进行总结和展望.
2022, 71 (16): 168401.
doi: 10.7498/aps.71.20220757
摘要 +
流行性病毒严重影响着人类健康和社会正常运行, 因此有效杀灭病毒变得尤为重要。 本文对热电空气消毒系统的传热性能进行研究, 该系统利用半导体热片具有冷热两端的特点, 可以实现对空气加热（可用于消毒）与冷却降温至舒适温度. 测量结果显示流入系统的空气首先被升至80 ℃进行消毒, 之后被冷却降温至35 ℃. 该系统总的能量利用率最高可达1.2. 此外, 结合测量结果和数值计算, 本文分析了热电片级数、输入功率、空气流量以及边界保温等参数对系统传热性能和能量利用率的影响. 该系统在公共卫生、医疗、和家庭等空气消毒领域具有应用潜力.实际消毒效果需要结合医学应用进一步研究.
2023, 72 (3): 034401.
doi: 10.7498/aps.72.20221981
摘要 +
声学失配模型和漫散射失配模型被广泛应用于界面热导的计算, 两种模型分别建立在极端光滑和粗糙界面的假设基础上. 由于实际界面结构与两种假设的区别较大, 造成两种模型预测结果与实际界面热导偏差较大. 近期提出的混合失配模型考虑了界面结构对声子镜面透射和漫散射透射比例的影响, 预测的准确度有所提高. 但该模型需要通过分子动力学模拟获取界面声子信息较为复杂. 为此, 本文通过引入测量的粗糙度数值简化混合失配模型, 并增加考虑界面结构对接触面积的影响, 实现对界面热导简单快捷、准确地预测. 基于该模型, 计算预测了金属(铝、铜、金)和半导体(硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓)的界面热导. 并将铝/硅界面的结果与实验测量结果对比, 数据吻合较好. 该模型不仅有助于界面导热机理的理解, 而且利于与测量结果对比.
