來(lái)源：Nature
01 背景介紹
隨著微流體技術(shù)的迅速發(fā)展，特斯拉閥因其在流體流動(dòng)整流中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而成為了研究熱點(diǎn)。特斯拉閥的設(shè)計(jì)利用了流體的不對(duì)稱(chēng)性，使得在不同流向上的流動(dòng)表現(xiàn)出顯著的阻抗差異，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)活動(dòng)部件的流體整流。然而，在微固體通道中實(shí)現(xiàn)熱聲子的整流卻面臨更大的挑戰(zhàn)，主要由于聲子之間缺乏動(dòng)量守恒的碰撞以及液態(tài)聲子流動(dòng)的不頻繁現(xiàn)象，這使得熱整流的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化。
02 成果掠影
基于上述問(wèn)題，東京大學(xué)Xin Huang，Masahiro Nomura教授團(tuán)隊(duì)等，首次在同位素富集的石墨晶體中設(shè)計(jì)了微米級(jí)的特斯拉閥，研究其在熱傳導(dǎo)中的整流效果。通過(guò)在90 nm厚石墨中構(gòu)造實(shí)現(xiàn)特斯拉閥，于45 K溫度下，觀察到不同流動(dòng)方向上的熱導(dǎo)率存在15.2%的顯著差異。研究揭示了聲子在固體材料中流動(dòng)的復(fù)雜性，固態(tài)聲子流動(dòng)面臨動(dòng)量守恒碰撞缺乏和類(lèi)液體流動(dòng)稀少的挑戰(zhàn)。這一結(jié)果為利用聲子集體行為進(jìn)行微納米尺度電子設(shè)備的熱管理提供了新的思路和方法，為熱整流的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究成果以“A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport”為題發(fā)表在《Nature》期刊。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1. 石墨特斯拉閥和熱特性。 圖2. 聲子特斯拉閥的蒙特卡羅模擬。 圖4. 石墨特斯拉閥中的熱整流。
04 總結(jié)
本文的研究為熱流逆轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)提供了新的視角，強(qiáng)調(diào)了微米級(jí)通道設(shè)計(jì)在集體聲子運(yùn)動(dòng)和Poiseuille熱流中的重要性。通過(guò)采用直入流和適當(dāng)長(zhǎng)度的彎曲通道，能夠有效增強(qiáng)聲子水動(dòng)力流動(dòng)，從而提高熱整流效果。
此外，研究表明，連接多個(gè)特斯拉閥單元串聯(lián)的設(shè)計(jì)理念，在流體力學(xué)中已被證明有效，也可為提高石墨特斯拉閥的熱整流效果提供可行的途徑。然而，現(xiàn)階段的制造限制使得實(shí)際的懸浮石墨結(jié)構(gòu)局限于約100×100 μm2的片狀規(guī)模，未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)著重探索更寬的通道寬度和延長(zhǎng)彎曲通道的出口長(zhǎng)度，以進(jìn)一步提高整流性值。在樣品制備和表征過(guò)程中，采用了多種先進(jìn)技術(shù)，如電子束光刻、氧氣等離子體刻蝕和次級(jí)離子質(zhì)譜等，確保了樣品的單晶特性。這些研究不僅為聲子水動(dòng)力學(xué)在固體熱整流中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為未來(lái)開(kāi)發(fā)更高效的熱管理材料和器件奠定了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。
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