石墨烯神奇特性再加一?科學家在石墨中觀察到「第二類聲」

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 19 日 16:59 | 分類 材料、設備 , 自然科學 follow us in feedly

自問世以來,石墨烯(graphene)的性質已為人們帶來許多驚喜,但這項神奇材料或許仍有許多驚喜留待人們探索。近日《科學》(Science)期刊上一項新研究發現,石墨在熱傳導上具有過去極少在日常材料發現的特殊模式,如果高性能版本的石墨烯上也有相同性能,未來將可以用極高效率的方式去除微電子零件上的熱量。



試著想像以下此種情況:將水壺燒開後將火源關閉,不像一般情況下慢慢降溫,水壺迅速冷卻至室溫,熱量以一種沸騰的熱浪形式沖走。

由於熱量的波動是以類似空氣中聲音的方式傳播,這種熱傳導模式又被稱為「第二類聲」(second sound),過去研究者曾在超流體和一些介質晶體觀察到第二類聲,但 MIT 研究團隊近期卻在一種更為日常的材料中觀察到這種難以置信的熱傳導模式:石墨。

在 120 K 的溫度下,團隊在石墨上觀察到了明顯的第二類聲跡象,與過去在其他材料上的實驗相比,石墨不僅更商業化便於取得,科學家觀測到出現第二類聲的溫度也較其他材料來的更高、更貼近實用情況(其他材料多在 20 K 表現出第二類聲)。

在一般情況下,即使熱量擴散,固體的原始加熱區域仍然是最溫暖的區域,但在表現出第二類聲材料中的反向散射被嚴重抑制,因此,最初加熱的點會以接近聲速的速度立即冷卻。

團隊先是以理論證明,在一定溫度範圍內石墨烯可能表現出第二類聲,接著再將範圍延伸到了更為普通的材料石墨。透過建立模型模擬熱傳導,團隊發現在 80-120 K 的溫度範圍內,石墨內的熱量也會以類似於第二類聲的方式流動。

為了確認計算結果,團隊找來 10 平方毫米的市售石墨樣品進行實際實驗。團隊使用一種被稱為瞬態熱光柵(transient thermal grating)的技術,運用雷射與光電探測器追蹤了熱量流過樣品的方式,並在 120 K 時觀察到完全不同的行為。

由於觀察到的情況和幾乎所有材料在任何溫度下的熱傳輸都不同,完全違背了研究人員的日常經驗,儘管看起來就像是第二類聲,負責該場實驗的共同作者 Ryan Duncan 在看到結果後還是呆坐了 5 分鐘,不斷告訴自己:這不可能是真的。

「那一晚我重新進行了實驗,想知道事情是否會再次發生,事實證明結果是非常具有重複性的。」

基於針對石墨的這項研究,研究團隊認為,石墨烯很有可能也會在更高溫度或超過室溫下表現出第二類聲的特性,同時有充分的理由相信石墨烯中的第二類聲表現將會更為明顯,如果預測成真,那麼石墨烯或許將成為冷卻密集微電子元件的實用選擇。

當電腦和電子設備要做得更小更密集時,在溫度管理上也會變得更加困難,而這項發現正是一個巨大的推動力,MIT 化學教授 Keith Nelson 表示,這是職業生涯中他會期待的少數亮點之一,因為結果確實顛覆了人們尋常想到的方式。

「想到這項技術將會如何發展、未來將會出現如何有趣的應用,就更加令人感到興奮。」

(首圖來源:MIT/Christine Daniloff