科學人／手機過熱有解方？ 東大應用「百年概念」開創熱能控制新道路

石墨特斯拉閥在光學顯微鏡下的照片。圖／ 東京大學

手機變暖暖包？電子產品散熱問題日益嚴峻！

你是不是常常有這樣的經驗：遊戲打到一半，手機開始發燙？或是電腦運作久了，風扇開始狂轉主機卻還是熱烘烘的？ 這是因爲手機和電腦內部的晶片在高速運作時會產生大量的熱能。如果熱能無法及時散去，手機就會過熱，影響效能甚至造成損壞。隨着科技進步，電子元件越來越小，效能越來越高，散熱問題也越發嚴重。如何有效控制熱能，成了科技發展的一大挑戰。

好消息是，東京大學生產技術研究所的團隊找到了可能的解決方案！他們從一個百年前的概念中汲取靈感，成功打造出可以控制熱能流動方向的「熱二極體」。這項研究成果於 2024 年 10 月 16 日發表在頂尖學術期刊《自然》（Nature）上。

特斯拉閥：流體世界的單行道

這個百年概念，就是鼎鼎大名的「特斯拉閥」。它是由天才發明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在 1920 年發明的一種特殊閥門，最大的特點就是沒有任何活動部件，卻能讓流體更容易朝一個方向流動，反方向則受到阻礙。 這種「單行道」特性讓特斯拉閥在微流體、脈衝噴射引擎等領域都有過實際應用。

那麼，特斯拉閥怎麼能幫助我們手機散熱呢？關鍵就在於一種叫做「聲子」（phonon）的準粒子（玻色子）。「當原子受到激發時，例如被加熱，晶體中的鍵就像彈簧一樣運作。這些『彈簧』接連一起作用，形成一個波，或稱爲聲子，它會通過晶體傳播，」研究的主要作者黃欣（Huang Xin，音譯）解釋道。簡單來說，聲子可視爲晶體中熱能的載體，就像高速公路上的車輛，負責在材料中傳遞熱量。

利用「聲子」的類流體特性，讓熱能像水流一樣被疏導

一般情況下，聲子的運動是雜亂無章的，熱能會向四面八方傳播。但聲子在固態晶體中的傳播方式之一與流體的流動有着驚人的相似性，這種現象被稱爲「流體動力學聲子傳輸」（hydrodynamic phonon transport），讓聲子就像水流一樣可以被引導。黃博士及其合作者利用這一特性與斯拉閥控制了熱能的傳遞。

東京大學的研究團隊利用高純度的石墨晶體，打造出微米尺度的「石墨熱特斯拉閥」。 石墨具有特殊的性質，在特定條件下，聲子可以在其中形成類似流體的「聲子孔隙流」。 研究團隊巧妙地利用特斯拉閥的設計原理，成功引導聲子在石墨材料中單向流動。

實驗結果顯示，在絕對溫度 45K（約-228°C）的極低溫環境下，「石墨熱特斯拉閥」可以讓熱能在一個方向的傳導效率比反方向高出15%以上，達到最佳的熱整流效果。 這代表熱能可以像水流一樣被「單向疏導」，實現更精準的熱能控制。

從散熱到發電，開啓熱管理新時代！

這項研究成果爲熱能控制技術開闢了全新的道路。 儘管目前「石墨熱特斯拉閥」的熱整流效應主要在低溫環境下才能發揮作用，但參與本研究的東京大學生產技術研究所教授野村政宏表示：「理論上在更廣泛的溫度範圍內實現熱整流是沒有障礙的，甚至可以達到室溫。」研究團隊未來會持續提高材料的純度和改進結構來達成這點。

想像一下，未來的手機、電腦不再發燙，隨之而來的是電池續航力大幅提升，這將爲你的3C日常帶來多大的改變！除此之外，「石墨熱特斯拉閥」還有望應用於熱電轉換技術，將廢熱轉換成電能，提高能源使用效率。 未來，這項技術的發展潛力無窮，將爲電子產品、能源產業等領域帶來革命性的進步。

（本文出自2024.10.18《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）