如今，智能手機(jī)、筆記本電腦和其他電子設(shè)備在我們工作生活中的占比與日俱增，我們對(duì)這些設(shè)備的使用手感也變得愈發(fā)挑剔起來(lái)。設(shè)備過熱，會(huì)讓人十分討厭，比如拿著燙手或者擔(dān)心家長(zhǎng)摸主機(jī)查崗等。除此之外，設(shè)備過熱還可能導(dǎo)致一些元件發(fā)生故障；在極端情況下，甚至還可能導(dǎo)致鋰電池爆炸。

工程師們?yōu)榱吮苊怆娮釉O(shè)備發(fā)生過熱的情況，可謂是用盡渾身解數(shù)。他們通常用玻璃、塑料，或者多層空氣作為隔熱材料，來(lái)防止微處理器等發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量對(duì)其他元件造成損害，或者讓用戶感到不滿。而電子設(shè)備不斷小型化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于隔熱材料乃至整個(gè)隔熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著實(shí)給工程師帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。

然而近日，斯坦福大學(xué)研究人員的新發(fā)現(xiàn)，可以在未來(lái)幫助工程師解決小型化電子設(shè)備的隔熱設(shè)計(jì)問題。他們的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了，僅用幾個(gè)原子厚的材料，就可以達(dá)到比其厚 100 倍的玻璃可提供的相同隔熱效果。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、電氣工程學(xué)院的教授 Eric Pop，同樣也是這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人說：“該發(fā)現(xiàn)可以較快地投入到應(yīng)用領(lǐng)域，更薄的隔熱層將幫助工程師設(shè)計(jì)出比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更緊湊的電子設(shè)備?！边@項(xiàng)研究發(fā)表在   Science Advances   雜志上。

對(duì)于這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處，Pop 說：“我們的研究團(tuán)隊(duì)正以一種全新的方式看待電子設(shè)備中的熱量——將其看作聲音?！?

圖 | “燃燒”的聲波曲線（來(lái)源：DeepTech）

把熱當(dāng)聲音來(lái)研究

你是否能想象，我們平時(shí)使用筆記本電腦或手機(jī)時(shí)，感受到的熱量其實(shí)是一種聲音？當(dāng)然，不是筆記本電腦風(fēng)扇的嗡嗡聲。

如果你覺得這聽起來(lái)有些不靠譜，那仔細(xì)考慮一下我們學(xué)過的基礎(chǔ)物理知識(shí)。電線中形成電流，是依靠電子在其中運(yùn)動(dòng)形成電子流。當(dāng)這些電子運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)與它們所經(jīng)過材料中的原子相碰撞（比如電阻），每發(fā)生一次碰撞，就會(huì)引起材料中的一個(gè)原子振動(dòng)。電流越大，碰撞也就越頻繁，最終可能就會(huì)發(fā)展為電子像撞鐘一樣不斷敲擊原子——而這種“刺耳”的震動(dòng)遠(yuǎn)高于人們的聽力閾值，所以對(duì)于其產(chǎn)生的能量，我們的感覺是熱。

我國(guó)古代道家的哲學(xué)術(shù)語(yǔ)“心靜自然涼”，辯證地來(lái)看，是不是也有么一點(diǎn)兒“如果周遭聲音太過嘈雜，人們就會(huì)感覺燥熱”的意思在里面呢。

說回斯坦福大學(xué)的發(fā)現(xiàn)，研究人員也正是有了“把熱看作一種聲音形式”的想法，進(jìn)而激發(fā)了他們從物理世界中借鑒一些原理的求知欲。Pop 曾在斯坦福大學(xué)的校廣播電臺(tái)—— KZSU 90.1 FM 做過電臺(tái) DJ，那時(shí)他就發(fā)現(xiàn)音樂錄音棚里很安靜，是因?yàn)橛袑ｉT設(shè)計(jì)的厚厚玻璃窗隔絕了外面的聲音。

目前電子產(chǎn)品的隔熱設(shè)計(jì)也與上述原理相似，如何更好地隔熱是工程師們永恒的話題。如果參考錄音室增加或增厚隔音玻璃，去增添隔熱材料，那就會(huì)阻礙電子產(chǎn)品向著更輕薄的方向發(fā)展。所以斯坦福大學(xué)的研究人員借鑒了多層玻璃讓室內(nèi)更保暖的技巧（在不同厚度的玻璃之間填充一層空氣），設(shè)計(jì)出一種多層結(jié)構(gòu)的材料薄膜。
圖 | A. 入射拉曼激光探測(cè)下，Gr/MoSe2/MoS2/WSe2 “三明治”結(jié)構(gòu)的截面示意圖；B ~ E. 在SiO2襯底上混合 4 層（B）和 3 層（C 到 E）異質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫截面截圖，由于碳原子的原子數(shù)相對(duì)較低，在每個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)頂部的單層石墨烯很難被識(shí)別出來(lái)（來(lái)源：Science Advances ）

創(chuàng)新的“三明治”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

納米材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠集成各個(gè)結(jié)構(gòu)基元的性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制，從而獲得新的功能。這使納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成設(shè)計(jì)成為一個(gè)充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)的新興領(lǐng)域，它能讓更先進(jìn)的電子和光子學(xué)應(yīng)用成為可能。但在熱應(yīng)用領(lǐng)域，其相應(yīng)的進(jìn)展一直都比較緩慢。

斯坦福大學(xué)這次取得了突破，其研究團(tuán)隊(duì)通過將原子薄厚的二維材料分層堆疊的方式，開發(fā)出一種擁有超高隔熱性能的超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)。他們成功地將單層石墨烯、MoS2 和 WSe2 堆疊在一起，這樣形成的薄膜材料的熱阻是 SiO2 的 100 倍，并且在室溫條件下導(dǎo)熱效率優(yōu)于空氣。

在這個(gè)“三明治”結(jié)構(gòu)中，石墨烯是單層的，而另外 3 種片狀材料均為 3 個(gè)原子厚。這樣就制成了只有 10 個(gè)原子厚的 4 層絕熱體。不要以為這種絕熱體很薄就沒有效果，該結(jié)構(gòu)可以很好地抑制原子的熱振動(dòng)，當(dāng)原子通過每一層時(shí)，都會(huì)損失大部分能量。
圖 | 4 層結(jié)構(gòu)薄膜傳熱測(cè)試的截面示意圖——電流在石墨烯頂層流動(dòng)，熱量在各層間消散，最后只有極少的熱量傳入基底（來(lái)源：Science Advances ）

與此同時(shí)，研究人員還對(duì)該“三明治”每層材料的熱阻進(jìn)行了分析。他們通過一個(gè)穩(wěn)定的熱源對(duì)其進(jìn)行加熱，并分別對(duì)每層進(jìn)行監(jiān)控。結(jié)果表明，“三明治”的每一層在傳熱過程中都起到了很好的隔熱效果，并且表現(xiàn)是線性穩(wěn)定的。
圖 | 4 層結(jié)構(gòu)的 SThM 熱圖，顯示出通道內(nèi)均勻的溫度分布，證實(shí)了疊層中熱層間耦合的均勻性（來(lái)源：Science Advances ）

未來(lái)的應(yīng)用前景

新型材料結(jié)構(gòu)在可以切實(shí)地投入到應(yīng)用層面之前，一定都會(huì)面臨同樣的問題，就是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。這個(gè)問題在二維材料領(lǐng)域，尤其對(duì)于如此之薄的材料結(jié)構(gòu)，更是尤為艱難。

斯坦福大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)著手去尋找一些大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)，可能會(huì)是在制造過程中向電子元件噴射，也可能是以薄膜材料沉積的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該“三明治”薄層的設(shè)計(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于將發(fā)現(xiàn)落實(shí)到應(yīng)用十分有信心，他們認(rèn)為不用很長(zhǎng)時(shí)間就可以將該發(fā)現(xiàn)投入到生產(chǎn)使用中。這或許會(huì)給未來(lái)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大顛覆。

圖 | 芯片過熱（來(lái)源：creative soul/Adobe Stock）

對(duì)于生活中常用的電子產(chǎn)品，我們知道在筆記本電腦的設(shè)計(jì)過程中，既要考慮用戶使用時(shí)的舒適性，又要考慮內(nèi)部各組件的散熱問題是否會(huì)影響性能和電腦壽命。最佳的辦法可能是掌托及鍵盤部分采用隔熱設(shè)計(jì)，避免熱量直接與手接觸；同時(shí)， 機(jī)身底部采用高導(dǎo)熱性材枓來(lái)加強(qiáng)散熱功能。

這種新型的隔熱薄膜，既可以保護(hù)使用手感，又可以在需要散熱的位置形成一個(gè)良好的導(dǎo)熱通道。此外，依靠其超薄的特性，還給筆記本電腦提供了極大的設(shè)計(jì)空間，以實(shí)現(xiàn)在提高輕薄性的同時(shí)，又保證性能的強(qiáng)悍性。

對(duì)于智能手機(jī)、平板電腦等其他電子設(shè)備來(lái)說，它們是追求散熱還是隔熱的問題一直困擾著工程師。對(duì)于 SoC（System on Chip，系統(tǒng)級(jí)芯片）來(lái)說，單純追求隔熱，會(huì)導(dǎo)致機(jī)身內(nèi)部溫度過高，SoC 則需要降頻；而如果只追求散熱，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)身“燙手”，影響用戶的使用體驗(yàn)。而該新型隔熱薄膜可能就是平衡上述問題的良方。

負(fù)責(zé)人 Pop 對(duì)外表示：“作為工程師，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多關(guān)于如何控制電力的知識(shí)，我們對(duì)光的掌握也變得越來(lái)越好。但是我們才剛剛開始了解如何控制在原子尺度上表現(xiàn)為‘熱’的高頻聲音?！?br />
其實(shí)在開發(fā)更薄絕熱體這一近期目標(biāo)的背后，可以看出科學(xué)家們潛藏的野心——他們希望有一天能像現(xiàn)在控制電和光那樣，去控制材料內(nèi)部的振動(dòng)能量。而這可能會(huì)給未來(lái)人們所使用的電子產(chǎn)品，帶來(lái)天翻地覆的變化。

海南隔熱材料