固液界面熱輸運機理及調控研究取得新進展

基于飛秒激光抽運探測實驗系統的固液界面熱導測量系統

　　近日，中科院工程熱物理研究所傳熱傳質研究中心聯合美國圣母大學的科研人員，建立了基于飛秒激光抽運探測實驗系統的固液界面熱導測量系統，并利用該系統對多種固體和液體材料的界面熱導進行測量，固體材料包括金屬鋁和金屬金，液體材料包括水、酒精、十六烷以及石蠟等。

　　固液界面熱輸運性能在復合高分子材料、納米流體、電子器件熱管理以及納米微粒輔助治療等應用中都扮演了至關重要的角色。例如，納米流體的熱導率可能遠高于對應液體的熱導率，因此有望廣泛應用于微電子器件、燃料電池、化工制藥、汽車發動機等領域。

　　然而，在納米流體等納米材料中，隨著結構特征尺度的減小，有限體積內固體與液體材料的總表面積迅速增大，固液界面的熱輸運性能對材料在實際應用中的熱輸運性能影響十分顯著，如果將材料內部的熱輸運類比于公路上通行的車輛，那么固液界面就是公路上的十字路口，十字路口的通行能力決定了整條公路的通行能力，而自組裝單分子層就是提高十字路口通行能力的立交橋，因此對界面熱輸運機理的研究以及固液界面熱輸運性能的調控將對以上工業領域的發展起到重要促進作用。

　　通過對固液界面熱導測量結果的分析以及利用分子動力學模擬方法對固液界面熱導的計算，科研人員對固液界面熱輸運的機理和影響因素進行了系統詳盡的研究，包括固液界面浸潤性以及分子振動態密度匹配程度對固液界面熱輸運性能的影響。根據實驗和理論的指導，科研人員進一步嘗試對固液界面熱輸運性能進行調控。

　　研究人員利用分子自主裝技術在金屬金表面制備了一系列與液體十六烷具有類似分子結構的自組裝單分子層，包括具有從2~18個碳原子的硫醇分子，這些硫醇分子可以與金屬金形成共價鍵同時與液體十六烷具有類似的分子振動態密度分布，從而在金屬金與液體十六烷的熱運輸過程中起到了橋梁的作用，利用該方法科研人員極大地提高了固液界面的熱輸運性能，界面熱導最大提高約5倍。該方法有望應用于更廣泛的工業領域，推動微納尺度固液熱管理系統的實用化。