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研究背景

隨著微流體技術(shù)的迅速發(fā)展，特斯拉閥因其在流體流動整流中的獨特優(yōu)勢而成為了研究熱點。特斯拉閥的設(shè)計利用了流體的不對稱性，使得在不同流向上的流動表現(xiàn)出顯著的阻抗差異，從而實現(xiàn)了無活動部件的流體整流。然而，在微固體通道中實現(xiàn)熱聲子的整流卻面臨更大的挑戰(zhàn)，主要由于聲子之間缺乏動量守恒的碰撞以及液態(tài)聲子流動的不頻繁現(xiàn)象，這使得熱整流的實現(xiàn)復(fù)雜化。

成果簡介

有鑒于此，東京大學(xué)Xin Huang，Masahiro Nomura等教授團(tuán)隊在Nature期刊上發(fā)表了題為“A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport”的最新論文。研究者們提出了通過設(shè)計不對稱結(jié)構(gòu)，如特斯拉閥，實現(xiàn)聲子熱導(dǎo)的整流。例如，近期的研究中，科學(xué)家們在同位素富集的石墨晶體中設(shè)計了微米級的特斯拉閥，并成功地在45 K下觀察到了導(dǎo)熱系數(shù)在不同方向上存在15.2%的顯著差異。這一結(jié)果為利用聲子集體行為進(jìn)行微尺度和納米尺度電子設(shè)備的熱管理提供了新的思路和方法，推動了固體中熱整流的研究進(jìn)展。

研究亮點

1. 實驗首次設(shè)計并制造了微米級特斯拉閥，采用同位素富集的石墨晶體，研究其在熱傳導(dǎo)中的整流效果。

2. 實驗通過在90納米厚的石墨中實現(xiàn)特斯拉閥的構(gòu)造，觀察到在45 K溫度下，不同流動方向上的熱導(dǎo)率存在顯著差異，具體為15.2%。這表明聲子流體動力學(xué)在固體材料中可以有效實現(xiàn)熱整流，展示了聲子集體行為的潛力。

3. 該研究揭示了聲子在固體材料中流動的復(fù)雜性，尤其是在微固體通道中的熱整流機(jī)制，指出相較于液態(tài)流體，固態(tài)聲子流動面臨動量守恒碰撞缺乏和類液體流動稀少的挑戰(zhàn)。

4. 結(jié)果表明，通過對石墨材料的深入研究，能夠在微米尺度和納米尺度的電子設(shè)備中有效管理熱量，為熱整流的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，推動相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展。

圖文解讀

圖1: 石墨特斯拉閥和熱特性。

、

圖2: 聲子特斯拉閥的蒙特卡羅模擬。

圖3: 石墨特斯拉閥的熱導(dǎo)率。

圖4: 石墨特斯拉閥中的熱整流。

結(jié)論展望

本文的研究為熱流逆轉(zhuǎn)的實現(xiàn)提供了新的視角，強(qiáng)調(diào)了微米級通道設(shè)計在集體聲子運動和Poiseuille熱流中的重要性。通過采用直入流和適當(dāng)長度的彎曲通道，能夠有效增強(qiáng)聲子水動力流動，從而提高熱整流效果。此外，研究表明，連接多個特斯拉閥單元串聯(lián)的設(shè)計理念，在流體動力學(xué)中已被證明有效，也可為提高石墨特斯拉閥的熱整流效果提供可行的途徑。然而，現(xiàn)階段的制造限制使得實際的懸浮石墨結(jié)構(gòu)局限于約100×100μm2的片狀規(guī)模，未來的實驗研究應(yīng)著重探索更寬的通道寬度和延長彎曲通道的出口長度，以進(jìn)一步提高整流性值。

在樣品制備和表征過程中，采用了多種先進(jìn)技術(shù)，如電子束光刻、氧氣等離子體刻蝕和次級離子質(zhì)譜等，確保了樣品的單晶特性。這些研究不僅為聲子水動力學(xué)在固體熱整流中的應(yīng)用提供了重要的實驗基礎(chǔ)，也為未來開發(fā)更高效的熱管理材料和器件奠定了堅實的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

文獻(xiàn)信息

Huang, X., Anufriev, R., Jalabert, L. et al. A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport . Nature (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/10/24/1d623c48e4/

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微米級特斯拉閥，Nature！

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