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媒体视角丨宋柏:当我们谈论热,我们在谈论什么?

2021-07-05

越野马拉松最近成为热点,不少人因此知道了户外保温毯。薄薄的一层塑料布为什么能保温?“关键是在塑料上有一层铝,它能把人体发出的红外热辐射又反射回人体,就像镜子反射可见光一样。”这是很多人不知道的热科学。

一颗闪闪发亮的石头,如何判断它是不是钻石?竟然也可以靠热。“只要测量它的热导率就好,甚至不需要很精确。热导率代表的是物质传热的能力,塑料勺不烫手,就是因为塑料的热导率很低,而钻石是所有天然材料里热导率最高的。”钻石因此被赋予特殊的意义,“广告里说的象征真爱永恒没什么意思,但钻石可真是怎么夸都不为过的材料。”这也是很多人不知道的热科学。

在看似寻常的冷热之间探索非常,这就是2020年“科学探索奖”获奖人,mobile365体育投注特聘研究员宋柏的日常。


宋柏的实验室,进入这里需要“全副武装”

读本科时,宋柏曾经“妄言”:“做工程和修自行车差不多,就是高级一点。”但现在,他却在实验室里摆上了一排排改锥和扳手,并且对北大几座建筑的振动幅度如数家珍。“综合科研楼最好,我这里还行,离地铁比较远,但层数太高。振动是真的有影响,哪怕你在我的实验室里轻轻走动,都会看到显微图像在抖。除了极小的振动,我们还需要很低的噪声,稳定的温湿度,乃至对电磁干扰的屏蔽。”回忆起当年,宋柏大笑起来:“现在自行车也能自行了,是高科技。”

“当然,我们实验室最重要的是防尘,要穿连体‘兔子服’。”这是因为,热科学的研究已经进入了极小的时空尺度,在这里,一粒灰尘堪比一座大山。

当我们谈论热,我们在谈论什么?


宋柏

mobile365体育投注特聘研究员

2020年“科学探索奖”前沿交叉领域获奖人

获奖理由:肯定他在热量输运机理与极限方面的成绩,支持他在原子时空尺度探究和调控冷热现象

 

“反常识”的热科学

 

热科学研究什么?宋柏一言以蔽之:“小到原子、大到宇宙,一切冷热现象都可以是热学的研究对象;在工程技术中,我们最关心热量输运和热能转换。”

热科学研究的对象可以很平常,比如一颗爆米花。“不是所有品种的玉米都能变成好看又好吃的爆米花,玉米的含水量和热导率尤其重要。热导率越高,玉米中的水分就越容易受热蒸发,直到气压超过表皮强度而爆开。”宋柏告诉我们,国际顶级期刊《Nature》还曾发表过研究爆米花爆开机制的论文。

热科学研究的对象也可以很宏大,比如当下炙手可热的碳减排。“大约90%的一次能源,比如煤、石油和天然气,都要先变成热才能利用,而最终又有70%以废热的形式白白损失。想要实现‘碳中和’,不仅要做好零碳能源替代,还要充分利用热,大力提高能效并做好余热回收。”宋柏解释道。

热现象无处不在,热技术举足轻重,热学研究的成果让人目不暇接,普通人看来,甚至颇有些“反常识”。

比如超低热导率。特制的碳泡沫材料已经用于太阳探测器的隔热板,有了它,探测器面向太阳的一侧温度高达1400摄氏度,但另一侧却只有30度,科学仪器的正常工作就有了“保护伞”。还有二氧化硅气凝胶,“看着有点像普通玻璃,但里面全是纳米孔洞,密度接近空气,热导率比空气还低。把透光绝热的气凝胶覆盖在吸光材料上,就可以直接利用太阳能来淡化海水、净化废水,甚至产生高温蒸汽杀菌消毒。”


宋柏说,他想坚持做实验台前、学生身边的老师

超低热导率材料被用来隔绝热、保留热;与此相反,超高热导率则提供了快速传热和散热的能力。想想你一玩游戏就变烫的手机,不难感受到人们对超高热导率材料的厚望:在“算力革命”中,芯片散热成了最基础的诉求。

2018年和2020年,宋柏与合作者先后两次发表了有关半导体砷化硼和立方氮化硼晶体作为超级导热材料的最新发现。通过硼同位素富集,立方氮化硼的热导率提高了90%,创下了非碳材料热导率的新纪录。“同位素富集为什么能大幅提升导热能力?从微观尺度来看,在非金属材料中,热量是由一种叫作‘声子’的准粒子携带并传输的。举个不太恰当的例子,声子在晶体中的运动就好像咱们跑步,在平路上跑就比颠簸的路更快一些,同位素富集可以让声子前进的道路变得更加平坦。”

“钻石太贵了,集成也困难,大规模地用于芯片散热很有挑战;砷化硼和氮化硼则提供了新的可能,而且它们本身还有很好的电学和光学性质,以后有希望直接拿来制作电子和光电器件,这样散热从一开始就不成问题。”不过,宋柏也坦言,做好芯片散热,仅有新材料还不够,“芯片是一层一层的,即使有了散热薄膜,也还要考虑层与层之间的界面导热。另外,为了把热量最终从芯片带到环境,封装对散热影响很大,以嵌入式流体冷却为目标的多物理场协同设计,对于未来芯片至关重要。”

芯片散热是如此复杂的问题,根本原因就在于:芯片越做越精密了。

 

腾挪于原子之间

 

7纳米、5纳米、3纳米……芯片的特征尺寸不断压缩,正体现了人类在极小尺度操控物质的能力不断进化。在几十个原子大小的空间腾挪,热科学也呈现出前所未有的面貌。

比如宋柏一直在关注和研究的近场热辐射。“室温下物体的间距小于10微米,就要考虑近场效应,现在的微纳器件,已经有很多必须考虑这种情况。”

“热辐射的本质是电磁波,它可以分成两种,一种叫传播波,顾名思义可以走得比较远,物体通常靠它来辐射热量;另外一种叫倏逝波,它一离开物体表面很快就衰减掉了。现在我们发现,一旦两个物体距离足够近,倏逝波就会成为热量输运的‘主力’。两个冷热不同的物体,间距如果只有1纳米,单位时间内传递的热量,甚至可以达到远距离辐射的百万倍,这是非常夸张的,倏逝波的影响实在太大了。”宋柏这样解释,“微纳器件一定会越来越重要,近场热辐射也因此成为了非常基础,必须系统搞清楚的问题。我们最近几年结合理论分析、数值模拟与精密实验,在基本规律的探索方面取得了一些成果,但是未知更多,争议也还有,未来任重道远。”


宋柏在办公室。理论分析、数值模拟与精密实验“携手”,是研究近场热辐射的“三驾马车”

近场热辐射的应用潜力令人期待,比如智能热控、固态制冷,以及高能效、大功率密度的纳米热光伏技术——让特制的光伏器件在纳米尺度上靠近高温热源,用热来发电。“根据理论计算,利用近场频谱窄、热流大的特征,有望达到50%的热电转换效率和一千个太阳的功率密度。作为一种固态技术,纳米热光伏无振动、无噪声、高可靠性和模块化等特点很有吸引力。它有很多应用场景,比如分布式热电联产、余热利用和深空探索等;未来的零碳交通说不定也可以用纳米热光伏来驱动,所需热能由氢气燃烧来提供,系统的体积和重量都会比较小。”宋柏笑着说,“当然,实现难度巨大。”

在极小的空间尺度,热科学家们还在寻求另一种可能性——热的超导体。“导热和导电有很多相似之处。电的超导体,电阻为零,科学意义和应用价值巨大;那我们有没有可能找到热导率趋近于无穷大的,热的超导体?这样一来,很小的温差就可以驱动很大的热流,或许可以像电网送电一样,实现工厂余热等热能的远距离低损耗输送,进而节约能源、减少排放。虽然这听起来有点像天方夜谭,但也是热科学最激动人心的问题之一。”

从算力革命的强烈需求,到能源革命的远大梦想,正如宋柏所言:“热物理很基础,热学很酷。”

 

空无一人的实验室

 

宋柏的实验室很多时候空无一人,只有电脑屏幕微微发光,上面闪现着一串串数字和图形——空无一人的实验室,正是宋柏刻意为之的设计。“我们的设备都连着电脑,远程就可以调整参数、控制实验、采集数据,人不需要在现场。你走路的振动有影响,噪音的声压有影响,哪怕你坐着不动也是个热源,也会有影响。”微纳尺度下的热学实验,精密得甚至有些脆弱。


实验室里最重要的实验平台,宋柏搭了三年

实验室里最重要的实验平台,宋柏搭了三年,他特别看重实验平台的原始创新。“商业仪器有时无法探讨一些前沿问题,而且缺乏特色。重大仪器创新很难,但如果实现突破,就有可能推动一个领域乃至整个科学的发展,比如飞秒激光器和扫描探针显微镜,就分别从时间和空间两方面,实现了人们观测和操控单个原子的可能。”宋柏解释道。

焊电路、刻光栅、制作纳米位移台……这些都是宋柏实验室里常见的工作,也正是因为极小时空尺度的热学具有显著的交叉学科特征,实验平台的创新需要很多不同门类的知识和工具。

宋柏也看好算法发展和算力提升给研究带来的帮助,“计算对我们越来越重要,比如寻找新材料和设计新器件,高通量计算可以在10000个选项里排除9990个,剩下10个来实验验证。这样可以极大地提高效率,降低成本。”

不过,对于近场热辐射实验来说,核心挑战是“创造、维持和测量纳米间距,并同时分辨皮瓦(万亿分之一瓦)量级的热流”,其中关键技术之一就是各种微纳量热器件的加工。“我们也碰到不少困难,比如说微纳加工平台虽多,但功能往往不齐全,有时一些简单的工艺也需要拼凑平台才能完成。其次,许多平台和设备不允许学生自己动手操作,这和国外还是有差距。”宋柏说得相当坦率,“过去咱们跟跑,可能主要是投入多少的问题;但现在要并跑和领跑,就真的需要最朴素的探索精神和最原始的创造能力,以及让它们茁壮生长的土壤了。”


宋柏实验室墙上挂着一排排工具,焊电路、刻光栅、制作纳米位移台……这些都是常见的工作

宋柏给自己的实验室起名叫“开放热学实验室”,“开放”是他心仪的魔力词。“真理没有界线,开放意味着交叉融通和共享创新;科学永无止境,开放也意味着不守成规、拓展极限。”

“我常想,世界是一块幕布,人们在上面工作生活。幕布起起伏伏、无边无际,但定义起伏和风景的只是很少的人和事。基础研究就像是撑起幕布的一根根支柱,每向前走一步,幕布的边界就被打开一些,这就是我们的工作。”

 

 

(转载自“科学探索奖”官方服务和信息发布平台,作者:陈静)

 
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