超乎寻常的界面热传递:通过分子桥显著提高软硬材料界面的传热

AM在界面热材料、高分子复合材料、电子设备的热管理,太阳能技术和纳米粒子辅助的热疗等很多应用领域中,软材料(例如:水,高分子材料)和硬材料(例如:硅,金)之间的界面广泛的存在着。随着器件设备不断向纳米尺度发展,这些界面的热阻本身甚至可以与材料本身的热阻大小相当,成为提高热传递性质最大的瓶颈。有效提高软硬物质间的界面热导将极大的提高电子原器件的散热性能,改善复合材料的传热性能,促进热疗医学的进一步发展。

人们都知道手握热茶杯的感觉:当你握得更紧,你便会感觉更烫。这其实是因为一个被广泛认同的传热学原理:两个物体的粘合力越强,热传导越高效。这个原理同样适用于软硬材料之间的界面传热,因而也被用作提升此类界面导热的理论依据。比如说,在硬材料表面涂上亲水涂层,硬材料和水之间的粘结强度会大大增加,进而有效的提高界面的传热效率。研究表明这样做能使界面导热系数提高2到3倍。然而,美国圣母大学罗腾飞教授领导的小组研究表明这个被普遍认同的原理并非一定适用。

通过分子动力学模拟和瞬态热反射实验测量,该小组研究了聚乙烯和金形成的界面的传热。他们把十六烷和石蜡(两种不同链长的聚乙烯)作为液态软物质和固态软物质的代表,进行了详细的研究,并发现:通过用合适的自组装单分子膜对金的表面进行改性,聚乙烯和金形成的界面热导可以提高7倍之多。这一提高超越了以往的任何方法。然而,进一步的研究表明这种表面改性并没有提高界面的粘合力。恰恰相反,接触角的实验测量结果表明所使用的自组装单分子涂层使金表面的亲水性显著下降。也就是说,在这一情况下,界面的粘合力降低,界面传热反而大幅提高。这一项目的主要完成人包括来自中科院的圣母大学访问研究生孙方远以及圣母大学研究生张腾。

通过系统的分析,小组发现这样的提高是来自另外一个影响界面传热的因素:界面两侧材料的声子振动谱的匹配度。声子,也就是量子化的原子震动,是软硬材料界面热传播的主要载体。如果两个接触材料的声子谱非常相似,他们之间的热传递就能得到像共振一样的高效能量传播。通过分子模拟的分析,研究生张腾发现,通过应用特殊的分子对金表面进行的改性,可以使其表面具有和聚乙烯几乎相同的声子振动谱,从而有效的降低金和聚乙烯之间由于声子振动频率不匹配而导致的界面热阻(界面热阻:界面热导的倒数)。改性后,界面热导的提升来源于三个方面:由于声子振动谱的较高匹配度,自组装单分子膜本身的高效热传导,以及该膜和硬物质之间通过高强度的共价键实现的高效界面热传递。

这种通过对金的表面改性而提高其与聚乙烯之间的界面热导的方法可以推广到任何软硬物质界面。通过选择与软材料相似的分子结构,自组装单分子膜可以具有和任何软物质材料相似的声子振动谱。这种方法也可以和传统的提高界面粘合力的方法结合来进一步实现界面热传导提高。这一研究发现对于纳米复合材料的研发,电子原器件的散热,能源技术以及热疗医学的进步将有重要的指导意义。

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