Nature Nanotechnology：纳米级距离可使材料热传导率提高100倍

材料牛注：研究发现，由于辐射散热机制，当两物体之间的距离达到纳米级时，它们之间的热导率将是普通情况的100倍。基于此项发现，未来我们可以制造出光电转换，热电转换器件，把我们生活中没有充分利用的太阳能、生物能、热能等统统转换成服务于我们生活的能量形式。

最近，哥伦比亚工程学院、康奈尔大学及斯坦福大学的学者在《Nature Nanotechnology》杂志上发表了一篇最新的研究报告：当两物体之间的距离非常小——即达到纳米级的距离——但没有相互接触时，这两个物体之间的热导率是正常情况下的100倍。该研究是由以哥伦比亚工程学院的Michal Lipson教授和Shanhui Fan教授为首的研究团队主导的，研究人员利用定制的超高精密度位移控制器来测定热传导率，并用大幅度的光测定两平行物体之间的距离。

如图所示，两个不同温度下的物体通过光辐射交换热量。当两物体相距较远时（如图一左），通过热辐射产生的热传递是很少的。当两物体距离很近时（如图二右），热辐射所传导的热量几乎是非纳米级距离时的100倍。（以上图片由Raphael，St-Gelais，Lipson Nanophotonics团队提供）

Eugene Higgins大学的电气工程和物理教授Lipson指出：“当两物体距离达到40 nm时，热导率是非纳米级距离时的100倍。”他认为，“这是一个激动人心的发现，这意味着光辐射可以成为物体间热传的主要方式，而以前主要是依靠传导和对流进行热传导的。并且在其他团队发现这种热传导方式之前，我们已经率先发现此现象的应用价值——它可以应用在能源方面，例如用光伏电池将光能转换成电能。”

我们身边的所有物体都是通过光辐射与周围物体进行热交换的。例如，阳光通过辐射照在我们身上，烤箱中的加热元件通过发出的红光辐射散热，以及“夜视”相机在完全黑暗下可以进行拍摄也是利用光辐射的原理。但是通过光辐射进行的热交换，其热交换量比通过传导（即两物体接触时进行的热交换）实现的热交换量以及通过对流（即由热空气进行的热传导）实现的热交换量要小得多。理论上说，纳米级距离的辐射传热是很难实现的，因为很难做到既保持较大的热梯度又避免类似传导这样的传热机制发生。

Lipson团队将不同温度的工件放置的很近——即距离小于100nm或是人一缕头发直径的千分之一。实验人员发现了SiC在亚波长范围内的近场内发生辐射热传递。他们使用高精度显微电子系统（MEMS）来控制两工件之间的距离，并且由于在大的拉伸应力下工件具有良好的稳定性，这种特性使工件的热屈曲效应将至最低，因此即使是在很大的热梯度下，仍能保证工件之间的距离稳定在纳米级。

通过这种方法，研究团队将两块温度不同的式样平行放置，使它们保持42 nm的距离，并确保不相互接触。研究人员发现两式样之间的热传导是正常热辐射规律（即黑体辐射）的100倍。研究人员在260℃（500F）的高温差条件下重复了此实验，这是因为高的温差是能量传递的重要条件，传递效率总是与冷热工件间温度差成正比。

该项目的主要研究者，哥大工程学院Lipson团队中的博士后Raphael St-Gelait解释道：“我们工作的重要意义就是，热辐射可以作为不同温度物体间热传递的主要方式。”他还说：“这意味着我们可以利用类似的技术，通过控制光来控制热流量。这个发现意义重大，我们可以通过光来做很多事，例如利用光伏电池将光能转化成电能。”

St-Gelais以及研究报告共同撰写人，斯坦福大学Fan教授团队的准博士LinXian Zhu说这项发现还用更广泛的应用，即利用MEMS来控制控制光伏电池顶部纳米管的位移。研究人员现在希望用相同的方法来控制超高精度位移控制器，这次他们希望利用光伏电池直接将热转变为电。

Lipson补充道：“这种强大的，非接触的传导通道可以用来控制那些不可触碰的精密纳米器件的温度，或者通过大量热量辐射到光伏电池上以实现热电有效转换。”他表示，如果我们都以光的形式将发热物体的热量大量传递到光伏电池上，那么我们就可以制造出一种紧凑的模块直接将光能转化成电能。这种装置可以用在车内，可使发动机的余热转变成可应用的电能。我们也可以将这种装置用在家中，将生物燃料以及储存的太阳能变成电能。

美国国防高级研究计划局以基金形式对其进行奖励，同时奖励此项工作的还有Fonds de recherche du Québec−Nature et Technologies（FRQNT）和加拿大自然科学与工程研究协会（NSERC）。

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

感谢材料人编辑部杨洪期供稿