微米级特斯拉阀，Nature！

研究背景

随着微流体技术的迅速发展，特斯拉阀因其在流体流动整流中的独特优势而成为了研究热点。特斯拉阀的设计利用了流体的不对称性，使得在不同流向上的流动表现出显著的阻抗差异，从而实现了无活动部件的流体整流。然而，在微固体通道中实现热声子的整流却面临更大的挑战，主要由于声子之间缺乏动量守恒的碰撞以及液态声子流动的不频繁现象，这使得热整流的实现复杂化。

成果简介

有鉴于此，东京大学Xin Huang，Masahiro Nomura等教授团队在Nature期刊上发表了题为“A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport”的最新论文。研究者们提出了通过设计不对称结构，如特斯拉阀，实现声子热导的整流。例如，近期的研究中，科学家们在同位素富集的石墨晶体中设计了微米级的特斯拉阀，并成功地在45 K下观察到了导热系数在不同方向上存在15.2%的显著差异。这一结果为利用声子集体行为进行微尺度和纳米尺度电子设备的热管理提供了新的思路和方法，推动了固体中热整流的研究进展。

研究亮点

1. 实验首次设计并制造了微米级特斯拉阀，采用同位素富集的石墨晶体，研究其在热传导中的整流效果。

2. 实验通过在90纳米厚的石墨中实现特斯拉阀的构造，观察到在45 K温度下，不同流动方向上的热导率存在显著差异，具体为15.2%。这表明声子流体动力学在固体材料中可以有效实现热整流，展示了声子集体行为的潜力。

3. 该研究揭示了声子在固体材料中流动的复杂性，尤其是在微固体通道中的热整流机制，指出相较于液态流体，固态声子流动面临动量守恒碰撞缺乏和类液体流动稀少的挑战。

4. 结果表明，通过对石墨材料的深入研究，能够在微米尺度和纳米尺度的电子设备中有效管理热量，为热整流的实际应用奠定基础，推动相关技术的进展。

图文解读

图1: 石墨特斯拉阀和热特性。

、

图2: 声子特斯拉阀的蒙特卡罗模拟。

图3: 石墨特斯拉阀的热导率。

图4: 石墨特斯拉阀中的热整流。

结论展望

本文的研究为热流逆转的实现提供了新的视角，强调了微米级通道设计在集体声子运动和Poiseuille热流中的重要性。通过采用直入流和适当长度的弯曲通道，能够有效增强声子水动力流动，从而提高热整流效果。此外，研究表明，连接多个特斯拉阀单元串联的设计理念，在流体动力学中已被证明有效，也可为提高石墨特斯拉阀的热整流效果提供可行的途径。然而，现阶段的制造限制使得实际的悬浮石墨结构局限于约100×100μm²的片状规模，未来的实验研究应着重探索更宽的通道宽度和延长弯曲通道的出口长度，以进一步提高整流性值。

在样品制备和表征过程中，采用了多种先进技术，如电子束光刻、氧气等离子体刻蚀和次级离子质谱等，确保了样品的单晶特性。这些研究不仅为声子水动力学在固体热整流中的应用提供了重要的实验基础，也为未来开发更高效的热管理材料和器件奠定了坚实的理论依据和技术支持。

文献信息

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

原创文章，作者：zhan1，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2024/10/24/1d623c48e4/

微米级特斯拉阀，Nature！

相关推荐