工程化传热新途径或将颠覆能源与电子领域

本文由新莱福 MIM（Newlife - MIM）转载。所有版权归原作者及原出版方所有；详见下方资讯来源。

科学家们展示了一种利用工程化超材料大幅增强纳米级间隙传热的新方法。

热量穿过微小真空间隙的效率远高于普通热辐射的预期。研究人员现已证明，精心设计的超材料图案可将这种纳米级能量流放大高达四倍，提供了实验证据表明传热可以被“工程化”设计，而不仅仅是被动管理。

这项由卡内基梅隆大学、斯坦福大学和普渡大学的研究人员完成并发表在《自然》（Nature）杂志上的研究，聚焦于近场辐射传热。当两个物体仅相隔几百纳米时，就会出现这种效应，使得在较大距离上可忽略不计的电磁相互作用主导了热能的交换。

当热量穿过纳米级间隙时

在日常距离下，物体主要通过传导、对流和热辐射等熟悉的过程进行热交换。但当表面极其靠近时，与一个表面相关的电磁场可以直接与另一个表面相互作用。随后，能量可以通过近场效应穿过间隙，产生远超传统远场辐射所允许的传热速率。

科学家们研究这一现象已有多年，但这项新工作通过实验证明，人工结构可以将其进一步增强。研究人员在薄膜上绘制了微观金结构图案，然后将两个带有图案的表面面对面放置在纳米级间隙的两侧。

卡内基梅隆大学机械工程教授、该研究的资深作者沈申（Sheng Shen）表示：“与传统材料不同，超材料由微小的重复图案构成，能够以精确的方式与能量相互作用。我们将微观金结构图案化在薄膜上，并将它们面对面放置在纳米级间隙两侧。与没有超材料的类似装置相比，这使传热率提高了高达四倍，这远远超出了传统物理学在较大距离上的预测。”

共振放大能量流

增强的传热不仅仅源于为热量提供了额外的路径。相反，图案化的金结构与表面声子极化激元发生相互作用，表面声子极化激元是与某些材料表面附近的原子振动耦合的电磁波。

沈申教授研究组的博士生、该研究的共同第一作者王泽晓（Zexiao Wang）表示：“金结构不仅仅是为热量增加更多路径，而是与材料中自然存在的能量波（即表面声子极化激元）相互作用，产生共振效应。这些耦合振动使能量能够更自由、更高效地穿过间隙。”

沈申说：“这是一种协同效应。结构和材料相互放大。”

为电子和能源系统设计热能

对热流的精确控制最终可能有助于解决现代电子学中的一个核心问题。随着元器件变得越来越小，计算系统变得越来越强大，从密集排列的器件中散热变得日益困难。在极小尺度上操纵热传递的结构，可以为芯片和其他高性能系统的冷却提供新方法。

同样的物理原理也可能影响将热辐射转化为电能的技术。热光伏系统利用热物体发出的光来发电，因此提高热辐射的效率和可控性可以提升其性能。红外传感器也可能从更强或更精确控制的热信号中受益，应用范围涵盖从环境监测到国家安全的各个领域。

目前，这些结果仅适用于在严格控制的实验室条件下运行的纳米级结构。

沈申表示：“如果能以与电或光相同的精度来工程化设计热能，这可能会打开一扇通往全新技术的大门，这些技术不仅是为了承受热量，更是为了利用热量。”

资讯来源

- scitechdaily.com (2026-10-03) - 原文：工程化传热新途径或将颠覆能源与电子领域 - https://scitechdaily.com/a-new-way-to-engineer-heat-could-revolutionize-energy-and-electronics