检查纯化石墨带中的热能流动

东京大学工业科学研究所的科学家研究了纯化石墨带中的热能流动，并表明在某些条件下，热量可以更像液体一样移动，而不是随机扩散。这项工作可以更有效地从电子设备中散热，包括智能手机、计算机和 LED。

在现代理解热力学之前，科学家有时认为热是一种称为“热量”的流体。然而，我们现在知道热量实际上是构成材料的振动原子或分子所拥有的随机动能。

有时，振动可以被认为是称为声子的物理粒子，声子是半导体中热传导的主要贡献者。令人惊讶的是，在某些材料(如石墨)中，声子的行为可能确实与流体非常相似。然而，这个理论仍然相对模糊。

现在，由东京大学工业科学研究所领导的一组研究人员利用理论和实验结果更好地了解声子的流体状性质。他们表明，当石墨样品由同位素纯碳制成时，这意味着只有碳-12原子存在，热量可以更快地传导，几乎就像水流过管道一样。

这被称为“声子泊苏耶流”，基于粘性流体在封闭管中流动的理论。在约90开尔文的温度下，石墨的效果最强。然而，天然石墨含有约1%的其他碳同位素，特别是碳-13，这限制了天然样品中的这种效应。

“我们的研究阐明了石墨中声子泊苏耶流形成的理论标准，石墨是一种显示出强各向异性的材料，这在以前尚不清楚，”主要作者Xin Huang博士说。石墨，也称为铅笔芯，非常便宜且易于生产。

因此，它已经被用于一些电子设备的散热，这些电子设备在运行过程中会产生大量浪费能量。使用最多含有0.02%碳-13的纯化石墨，该团队能够观察到其导热系数是天然石墨值的两倍多。这种增强只发生在特定的温度范围内，这一事实证明了声子的流体状集体运动是机制。

“在传统的Poiseuille流中，中心附近的速度最高，这就是我们提出的实验中声子发生的情况，”资深作者Masahiro Nomura教授说。除石墨外，在固体氦和黑磷中也观察到了这种现象。

从理论上讲，即使在室温下，这种现象也是可能的。这项工作可以帮助保持敏感的计算机处理器冷却，即使它们增加了设备内部的密度。