热晶体:像操纵光线一样操纵热能

光线可以通过透镜进行聚焦和散射,但我们能不能让单纯的“热”像光线一样“聚焦”呢?近日麻省理工学院(MIT)一位名为马丁·马尔多瓦(Martin Maldovan)的科研人员研发了一套新技术,让人们可以像控制光线一般操控热能。

这项技术的关键是使用合金化半导体纳米晶体(nanostructured semiconductor alloy crystal),其理论依据为——热量与声波相同,都是由物质的原子晶格震动而产生。用这种理论解释,声音实质上是由一束“声子”(与光子的概念类似)震动产生的。我们都知道,使用光子晶体(比如透镜)可以控制光线的通路,那么声子晶体便可以控制声音的通路,自然,“热声子(heat phonons)晶体”便可以控制热量的通路。

马丁·马尔多瓦是麻省理工学院材料科学与工程学院的研究科学家,他解释说,不同材质的区别在于它们适配于不同种类能量的不同波长。马尔多瓦的最新研究发表在1月11日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

clip_image001

如上所示是热能晶格,它是热晶体最有可能的应用方向之一。在此结构中,准确排列的空气间隔(黑色圆圈)将成为热波的传导通路,而热能不会外泄至彩色的区域中。图片来自马丁·马尔多瓦。

马尔多瓦解释道,热量和声音的不同在于它们的波频,声波频率较低,在千赫兹级别;热波频率则要高得多,在太赫兹(万亿赫兹)级别。利用热的波性实现对其的控制,“这是一种前所未有的创新”。

为了模仿控制声波的手段来控制热量,马尔多瓦的首要任务是降低这些“热声子”的震动频率,让其更加接近声音的波频区间。马尔多瓦将这种降频的热量成为“超音速热波(hypersonic heat)”。

“声子可以到达千里之外,但热声子只能到达纳米之外。这就是为什么即使有太赫兹级别的震动在发生,你也‘听’不到温度。”马尔多瓦继续解释道,声波频率的跨度相对于较小,而热量比声音难控制一大原因是频率跨度太大。马尔多瓦说,“我们要把它的频率降下来”,要将频率降至热量和声波的边缘区间。为了达成这一目的,他使用了掺入纳米锗粒子的硅材料,并将这种材质制成薄膜,使热声子的震动频率降到了理想水平。

使用此技术后,热波的频率会被集中到100到300吉赫兹(千兆赫兹),多数热声子还会以特定方向传播,不会四处发散。达成此目的后,效仿声子晶体的工作模式,便可使用特定晶体控制热波的通路。因为这种晶体是用于控制热量的,马尔多瓦创造性地将其称为“热晶体(thermocrystals)”,这是一种前所未有的材料种类。

热晶体的应用领域相当广泛,比如热能发电,之前的热电材质无法控制热量的方向,好比一颗石子丢进水中,潋滟四面八方。但这种新技术通过对热子的处理,实现了热波的定向传播,可以方便快捷地把热量转化为电能,大大提高转化效率。马尔多瓦补充道,热波单向传播的特性还可被用于制造热能二极管,诸如此类等等。

此技术的另一用途是将热量汇聚到一个极小的点上,就像凸透镜把光汇聚到一个点上一样,利用热晶体的特性,人们说不定还能制造出可见光及微波无法探测到的“隐形衣”。

北卡罗来纳州RTI国际研究院固体热力学中心(Center for Solid State Energetics)的高级研究总监罗摩·文卡塔萨布拉曼尼亚(Rama Venkatasubramanian,好长的名字)表示,使用固体材料控制热能是一个非常有意思的尝试。但他补充说,此模型还不够成熟,“关于不同声子波长的理论很复杂,温度如何影响热传导比率的因素也必须被考虑在内,别说是纳米材料了,连简单材质都难考量这些因素。不过,这份研究的出炉可以引起许多人的兴趣,并引导人们在这个方向上进行更多的探索。”


文章编译自:MIT How to treat heat like light

作者: David L. Chandler,

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据