石墨中存在奇特的“热波”现象学术资讯

石墨中存在热波现象，其家族的“二维成员”石墨烯是否也一样呢？

设想这样一个场景，你将水壶中的水烧开并关掉炉子后，水壶没有继续保持热度并缓慢加热周围的环境，而是将其热量以热波形式迅速散去，快速冷却至室温。在日常生活中，热量肯定不是这样传递的。但美国麻省理工学院（MIT）的研究人员在一种相当普通的材料中却发现了这种奇特的热传递模式。《科学》杂志3月14日报道，MIT的研究人员在石墨中发现了“第二声”，即热波现象。他们在实验中观察到，在120开尔文下，当热量以接近音速的速度穿过石墨时，原本的热点会瞬间冷却。这种行为类似于声音在空气中传播的波状方式，因此科学家们称之为“第二声”。MIT研究人员的新成果代表了目前能观察到的第二声现象的最高温度。更为重要的是，石墨作为一种商业化程度很高的材料，比多数低温（20开尔文左右）第二声材料更具实际应用价值。

由此可见，石墨和它的高性能“亲属”石墨烯等材料，有望以一种独特的方式有效移除微型电子设备中的热量。MIT化学教授Keith Nelson说：“受用户需求科技发展推动，电脑等电子产品的微型化和密集化特征越发显著。由此带来的问题是，电子设备的热管理变得更加困难。根据石墨的测试结果，我们有充分的理由相信，石墨烯在室温下的第二声可能更加‘嘹亮’。如果事实能证实石墨烯能够以波的形式有效移除热量，那对电子产品的发展来讲将是不错的消息。”Nelson的研究小组与机械和动力工程教授Gang Chen等合作完成了这项研究。论文的共同作者还包括MIT的Sam Huberman等。

通常情况下，热量由声子携带，以热扩散的方式通过晶体——晶体的微观结构是由原子构成的晶格，当热量通过晶体材料时，晶格会产生振动。晶格振动最终将热量带走。虽然热量发生了扩散，但热源仍然是温度最高的区域。仍以烧开的水壶为例，即便热量被空气中的分子带走，但部分分子仍然会返回水壶。类似的“后向散射”现象也会发生在声子中。然而，在表现出第二声的材料中，后向散射会受到明显抑制。相反的，声子会保持动量离开初始受热区域。储存在声子中的热量会以波的形式进行传递，因此原始热点几乎以接近音速的速率冷却下来。

Chen的团队之前曾证实，在一定温度范围内，石墨烯中的声子可能主要以动量守恒的方式相互作用，这表明在石墨烯中可能存在热波现象。去年，Chen实验室的成员Huberman试图弄清楚石墨等更普通材料中是否也有类似情况。在之前开发的石墨烯热波研究工具的基础上，Huberman开发了一个复杂的模型来模拟石墨样品中声子的热传输情况。在Ryan Duncan的协助下，他发现在80~120开尔文下，热量能以类似第二声的方式流动。

根据Huberman的预测，石墨的二维“亲属”石墨烯，在接近或略高于室温的条件下，也可能表现出第二声的特性。如果最终情况与预期一致，那么石墨烯可能是为高密度微电子设备散热降温的理想材料。

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：alone

责编：唐林芳

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2019-03-exotic-phenomenon-pencil.html