罕见传热现象靠『第二声』实现瞬间冷却的『铅笔芯』

近日，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员们在石墨中发现了一种罕见的热传递现象：热量可以以声波的形式传导，即一种被称为“第二声”（Second Sound）的现象。

虽然这一发现听起来比较抽象，但它足以颠覆我们对热传递的普遍认知，再加上作为铅笔芯的主要组成物质石墨廉价且易得，该研究一旦取得突破性成果，就有望成为未来解决电子元件散热难题的关键技术。

我们先想象一下水刚刚烧开时的情景，伴随着水蒸气不断冒出，沸水将热量传递给水壶，进而向周围空气传递，自然冷却到室温需要数十分钟。但在“第二声”的现象下，热量可以在石墨中以声波的形式和速度传递，就像是“将热量从A点以音速转移到了B点”，从而实现对A点的急速冷却。

想要理解“第二声”，我们必须从物体的微观视角入手。通常情况下，结晶态固体的原子都会按一定规律排列在晶格上，就像很多人组成的方阵一样，不同方阵可以代表不同物质。热量会以扩散的方式穿过晶体，在这一过程中产生振动，以“声子”（Phonon）的形式传导能量。这里的“声子”并非真实存在的粒子，而是用来描述携带晶格振动能量的准粒子，我们可以将它视为“能量的载体”。它们会从热源扩散出去，向周围环境传导热量。但在一段时间内，热源通常会是最温暖的区域，例如在很长一段时间内，靠近自然冷却中的烧水壶，仍然会感到它散发出的热气，温度明显高出周围环境。这是因为热量伴随着空气中的分子扩散，也会“反向散射”回到水壶中，减缓了散热过程。这种现象也会出现在“声子”身上。然而，在“第二声”现象中，反向散射的情况会被严重抑制和压缩。取而代之的是，“声子”会遵守动量守恒定律，像海浪一样被一波冲走，其中携带的热量也就以波的形式传导到别处。因此，最初的热源会以接近音速的速度冷却下来。

石墨烯原子结构

事实上，“第二声”现象并非首次发现，只不过以前都是在 20 K（零下 253摄氏度）左右的极低温环境中，而且研究使用的是高纯度且极难控制的材料，比如超流液氦和量子气体，几乎没有实际应用的价值。最新成果与以往不同，实验环境温度在80-120 K（零下193-153摄氏度）左右，虽然仍然与室温相差很多，但并非遥不可及。而且石墨是一种非常常见的物质，量产成本低廉，具有很大的应用潜力。最重要的是，经过模拟计算，石墨的“二维表亲”——石墨烯甚至可以在室温（25摄氏度左右）下存在“第二声”现象。

这次之所以能够发现石墨的“第二声”性质，是受到了国际传热学的领军人物、美国国家工程院院士、麻省理工学院机械工程系教授陈刚此前研究成果的启发。陈刚教授针对石墨烯设计了一个理论模型，预测在一定的温度范围内，石墨烯中“声子”之间的相互作用会遵守动量守恒，从而可能产生“第二声”现象。

而陈刚的学生，此篇论文的第一作者Sam Huberman使用同类的模型计算出，石墨也会展现类似的性质。由于石墨更容易操控，他们便将其选为了第一个实验对象。为了证明预测是否准确，他们使用了瞬态热光栅技术，让两束激光交叉，向石墨样本内“注入”热量，产生光的干涉图样——由交替的亮（波峰）和暗（波谷）线条构成，其中明亮的区域代表了热量被吸收，黑暗的区域代表温度较低。在测量温度变化时，研究人员在干涉图样上引入了另一条激光束。通常情况下，热量会慢慢在波峰和波谷之间传递，直到两者温度一致。但在石墨样本上，波峰温度以非常快的速度降低，甚至变得比波谷温度还低，两者出现了反转，就像波浪起伏一样。成功在石墨上验证理论模型之后，研究团队将目光转向了更棘手的石墨烯，它的二维结构导致瞬态热光栅技术无法发挥作用，因此需要新的验证技术。

不要小瞧“第二声”这种快速的热传递方式，它的应用潜力十分巨大，尤其是在计算机和电子元件领域。目前芯片上半导体的体积已经小到纳米级别，微型电子元件也在不断缩小体积，但相关技术的发展一直饱受散热问题困扰。如果在室温条件下，石墨或石墨烯可以实现音速级别的热量转移效率，那就有望成为推动半导体和微型电子元件等领域进一步发展的关键技术，让它们变得更小更精密，而散热铜箔和散热片等现有主流散热手段都只能望尘莫及。

此项研究于3月 14日发表在《科学》（Science）。