Nature Nanotechnology：納米級距離可使材料熱傳導率提高100倍

材料牛注：研究發現，由于輻射散熱機制，當兩物體之間的距離達到納米級時，它們之間的熱導率將是普通情況的100倍。基于此項發現，未來我們可以制造出光電轉換，熱電轉換器件，把我們生活中沒有充分利用的太陽能、生物能、熱能等統統轉換成服務于我們生活的能量形式。

最近，哥倫比亞工程學院、康奈爾大學及斯坦福大學的學者在《Nature Nanotechnology》雜志上發表了一篇最新的研究報告：當兩物體之間的距離非常小——即達到納米級的距離——但沒有相互接觸時，這兩個物體之間的熱導率是正常情況下的100倍。該研究是由以哥倫比亞工程學院的Michal Lipson教授和Shanhui Fan教授為首的研究團隊主導的，研究人員利用定制的超高精密度位移控制器來測定熱傳導率，并用大幅度的光測定兩平行物體之間的距離。

如圖所示，兩個不同溫度下的物體通過光輻射交換熱量。當兩物體相距較遠時（如圖一左），通過熱輻射產生的熱傳遞是很少的。當兩物體距離很近時（如圖二右），熱輻射所傳導的熱量幾乎是非納米級距離時的100倍。（以上圖片由Raphael，St-Gelais，Lipson Nanophotonics團隊提供）

Eugene Higgins大學的電氣工程和物理教授Lipson指出：“當兩物體距離達到40 nm時，熱導率是非納米級距離時的100倍。”他認為，“這是一個激動人心的發現，這意味著光輻射可以成為物體間熱傳的主要方式，而以前主要是依靠傳導和對流進行熱傳導的。并且在其他團隊發現這種熱傳導方式之前，我們已經率先發現此現象的應用價值——它可以應用在能源方面，例如用光伏電池將光能轉換成電能。”

我們身邊的所有物體都是通過光輻射與周圍物體進行熱交換的。例如，陽光通過輻射照在我們身上，烤箱中的加熱元件通過發出的紅光輻射散熱，以及“夜視”相機在完全黑暗下可以進行拍攝也是利用光輻射的原理。但是通過光輻射進行的熱交換，其熱交換量比通過傳導（即兩物體接觸時進行的熱交換）實現的熱交換量以及通過對流（即由熱空氣進行的熱傳導）實現的熱交換量要小得多。理論上說，納米級距離的輻射傳熱是很難實現的，因為很難做到既保持較大的熱梯度又避免類似傳導這樣的傳熱機制發生。

Lipson團隊將不同溫度的工件放置的很近——即距離小于100nm或是人一縷頭發直徑的千分之一。實驗人員發現了SiC在亞波長范圍內的近場內發生輻射熱傳遞。他們使用高精度顯微電子系統（MEMS）來控制兩工件之間的距離，并且由于在大的拉伸應力下工件具有良好的穩定性，這種特性使工件的熱屈曲效應將至最低，因此即使是在很大的熱梯度下，仍能保證工件之間的距離穩定在納米級。

通過這種方法，研究團隊將兩塊溫度不同的式樣平行放置，使它們保持42 nm的距離，并確保不相互接觸。研究人員發現兩式樣之間的熱傳導是正常熱輻射規律（即黑體輻射）的100倍。研究人員在260℃（500F）的高溫差條件下重復了此實驗，這是因為高的溫差是能量傳遞的重要條件，傳遞效率總是與冷熱工件間溫度差成正比。

該項目的主要研究者，哥大工程學院Lipson團隊中的博士后Raphael?St-Gelait解釋道：“我們工作的重要意義就是，熱輻射可以作為不同溫度物體間熱傳遞的主要方式。”他還說：“這意味著我們可以利用類似的技術，通過控制光來控制熱流量。這個發現意義重大，我們可以通過光來做很多事，例如利用光伏電池將光能轉化成電能。”

St-Gelais以及研究報告共同撰寫人，斯坦福大學Fan教授團隊的準博士LinXian Zhu說這項發現還用更廣泛的應用，即利用MEMS來控制控制光伏電池頂部納米管的位移。研究人員現在希望用相同的方法來控制超高精度位移控制器，這次他們希望利用光伏電池直接將熱轉變為電。

Lipson補充道：“這種強大的，非接觸的傳導通道可以用來控制那些不可觸碰的精密納米器件的溫度，或者通過大量熱量輻射到光伏電池上以實現熱電有效轉換。”他表示，如果我們都以光的形式將發熱物體的熱量大量傳遞到光伏電池上，那么我們就可以制造出一種緊湊的模塊直接將光能轉化成電能。這種裝置可以用在車內，可使發動機的余熱轉變成可應用的電能。我們也可以將這種裝置用在家中，將生物燃料以及儲存的太陽能變成電能。

美國國防高級研究計劃局以基金形式對其進行獎勵，同時獎勵此項工作的還有Fonds de recherche du Québec?Nature et Technologies（FRQNT）和加拿大自然科學與工程研究協會（NSERC）。

原文參考地址：Scientists Observe 100-Fold More Heat Transfer than Classical Predictions at Nanoscale Distances

感謝材料人編輯部楊洪期供稿