由于超晶格結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)方面的最新研究，利用溫度差產(chǎn)生電力的熱電裝置可能會(huì)更加高效。新的研究發(fā)現(xiàn)出人意料，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)——僅幾十億分之一米厚度薄膜構(gòu)成的材料，熱能以波而非粒子形式傳導(dǎo)。

熱能，由物質(zhì)中原子和分子往復(fù)振動(dòng)產(chǎn)生，熱傳遞通常以“隨機(jī)游動(dòng)”的形式，從而難以控制。最新的觀察發(fā)現(xiàn)熱能以全新的模式傳遞，稱(chēng)之為“相干流”，如同河塘里面有序移動(dòng)的波紋。

在新材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域，上述發(fā)現(xiàn)為其精確定制熱能流動(dòng)提供了可能。例如，此項(xiàng)研究可能引導(dǎo)一種全新方式以摒棄電力裝置或者半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的熱量，而這種熱量有礙甚至?xí)�破壞裝置的性能。

本周《科學(xué)》雜志報(bào)道的這項(xiàng)工作，由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系研究生Luckyanova、博士后Garg、教授陳剛，以及其他麻省理工學(xué)院，波士頓大學(xué)，加州理工大學(xué)和波士頓學(xué)院的學(xué)生和教授合作進(jìn)行。

研究涉及稱(chēng)之為超晶格的納米結(jié)構(gòu)材料——交替堆積砷化鎵和積砷化鎵薄片，每種薄片以所謂金屬－有機(jī)化學(xué)氣相沉積工藝依次電鍍而成。

含有此種元素的化合物進(jìn)行真空蒸發(fā)，進(jìn)一步表面電鍍，厚度可以通過(guò)沉積過(guò)程時(shí)間精確控制。合成的薄片僅僅12納米厚度－約只相當(dāng)于DNA分子的厚度，整個(gè)結(jié)構(gòu)體的厚度變化范圍從24納米至216納米。

研究人員先前認(rèn)為，即使這種薄片達(dá)到原子層級(jí)的完美程度，當(dāng)通過(guò)超晶格時(shí)，散射傳熱準(zhǔn)粒子的薄層界面仍存在足夠多的粗糙度。

之前認(rèn)為，具有多薄片的物質(zhì)，散射效應(yīng)將會(huì)累積，進(jìn)而破會(huì)聲子的波效應(yīng)，麻省理工CarlRichardSoderberg電力工程教授陳剛表示。但這種猜測(cè)尚未證實(shí)，因此他及其同事決定重新檢測(cè)這種進(jìn)程。

事實(shí)上，由Luckyanova進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和Garg展開(kāi)的計(jì)算機(jī)模擬表明，當(dāng)此類(lèi)隨機(jī)相散射于高頻聲子發(fā)生時(shí)，波效應(yīng)于低頻聲子將得到保護(hù)。陳剛表示他對(duì)Luckyanova傳回的首次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明“相干熱傳導(dǎo)確實(shí)發(fā)生”感到非常驚奇。

清楚依次控制這種相干性的因素，能夠引導(dǎo)更好的舉措突破相干性和減少熱傳導(dǎo)，陳剛透露。這讓電力廠(chǎng)到電力設(shè)備的一切熱電裝置的廢熱量的利用成為可行。上述設(shè)施設(shè)備的應(yīng)用需要導(dǎo)電性能非常良好而導(dǎo)熱性能又及其差的材料。

這項(xiàng)研究也推動(dòng)散熱領(lǐng)域的發(fā)展，諸如針對(duì)電腦芯片的制冷技術(shù)。具備聚集和指示熱流的能力能夠更好進(jìn)行此類(lèi)裝置的熱能管理。陳剛說(shuō)，研究人員尚不清楚怎樣施加精確控制，但新的深入理解有所幫助。理解波基礎(chǔ)機(jī)制能夠“提供更多的措施操縱熱能傳遞”。

Luckyanova說(shuō)，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的兩種材料有著非常相似的特性，導(dǎo)電性非常良好。但通過(guò)控制薄片的厚度和疏密程度，我堅(jiān)信能夠控制熱能傳導(dǎo)，同時(shí)產(chǎn)生熱電裝置需要的絕緣效果。

Grag說(shuō)，材料薄片之間界面的作用尚未真正被人了解。之前的電腦模擬沒(méi)能涵蓋表明紋理變化的影響作用，但我認(rèn)識(shí)到有辦法模擬貫通薄層堆的聲子移動(dòng)路徑中粗糙度的作用。

研究不僅為控制熱流提供可能性（大部分以具有短波的聲子傳送），也用來(lái)控制聲波的移動(dòng)（主要以具有長(zhǎng)波的聲子進(jìn)行）。陳剛說(shuō)，這是一種重大基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)。

研究工作就有重大發(fā)現(xiàn)很大程度得益于不同學(xué)科種類(lèi)的研究人員相互合作，以及美國(guó)能源部資助的能量前沿中心——固態(tài)太陽(yáng)能光熱能量轉(zhuǎn)換中心的推動(dòng)，其在麻省理工定期舉辦多種跨學(xué)科會(huì)議。

“會(huì)議提供長(zhǎng)期的富有成果的討論，確實(shí)豐富研究?jī)?nèi)容”，Luckyanova說(shuō)。小組中不同領(lǐng)域的成員“真切鼓舞著我們從各個(gè)角度擊破這個(gè)問(wèn)題。”