颠覆传统散热方式？黑科技让电子设备“毫秒变凉”！

AI科技 2025年08月03日 17:07 0 admin

我们在刷手机或用电脑时，时常会遇到一个问题 —— 过热。电子设备过热除了烫手之外，还可能产生很多问题，比如屏幕过热可能触发误触或触控失灵，WiFi、蓝牙或蜂窝网络连接变差，极端情况下还可能起火或爆炸。

不过最近科学家发现了一种新材料，或许可以让电子设备过热成为历史。今天我们来聊聊可以让电子设备毫秒变凉的新材料 —— 六方氮化硼。

这项新技术和传统散热相比强在哪里？为什么六方氮化硼有这么强的散热能力？在回答这些问题之前，我们得先了解电子设备为什么会过热。

电子设备过热的根源与传统散热的局限

这个问题相信屏幕前的各位马上能抢答，比如玩游戏时很容易过热，没错。

CPU 或 GPU 高负荷运算时会导致芯片功耗激增，而电子元件工作时电能无法百分之百转为有用功，剩余能量会以热能形式释放。

5G 网络、WiFi 热点持续传输时，射频芯片也会发热。这都是电子设备发热的主要来源。不过电子设备之所以会过热，是因为电子元件工作时产生的剩余热量不能及时有效排出。

换句话说，理论上只要能迅速有效散发热量，电子设备永远不会出现过热的问题。但传统的散热方式难以满足高功率器件的需求，因为传统材料散热的底层机制限制了热量的散失速度。

从导热机制来说，传统散热材料 —— 不管是笔记本里的散热铜片、手机里贴的石墨，还是芯片上涂的导热硅胶 —— 都属于同一类材料，均通过晶格振动传递热量。

晶格振动是指固体晶体中原子或分子围绕其平衡位置的周期性振动，是热量传递的主要机制之一。在晶体中，原子排列成规则的晶格结构。

当受热或外界激励时，原子会偏离平衡位置振动产生能量传播，这种振动以量子化的形式存在，称为声子。

晶格振动通过声子传递热量是传统散热材料导热的基础，但传递效率受声子散射和界面声子适配的限制。

声子散射是指声子在晶体中传播时可能撞上各种障碍，导致其方向、能量、相位发生变化，这会降低热量传递效率，相当于热流受阻。

界面声子适配是指当热量从一种材料传到另一种材料时，若两种材料的声子谱差异较大，会导致振动模式不匹配，从而降低跨界面的能量传递效率。

六方氮化硼：超各向异性与双曲声子极化子的散热突破

但六方氮化硼可以规避这两个限制。2025 年 3 月 17 日，美国加州大学洛杉矶分校的研究团队在《自然・材料》杂志发表了一篇论文，探讨了利用六方氮化硼的双曲声子极化子模式来增强固体界面热传递的新方法。

六方氮化硼是一种由硼和氮原子组成的无机化合物，其晶体结构类似于石墨，因此有时也被称为 “白色石墨”。六方氮化硼是自然界少有的天然超各向异性材料。

什么是各向异性？在三维空间中，任何材料都可以用一个立体结构表示（可想象为立方体或晶体块）。

各向异性指从不同空间轴作用材料时，其表现出的性能不同。就像顺着木纹锯木头很容易，但横着锯就很困难，这是木头在不同方向上机械强度的差异。

以我们熟悉的石墨为例，石墨实际上由一层一层的碳原子蜂窝网堆叠而成，每层蜂窝网中的碳原子通过超强的共价键紧密连接。

在蜂窝网平面内，热量传递更快。如前所述，固体中热量主要靠声子传递，声子是原子振动的波。层内的共价键像钢筋一样将原子牢牢锁住，原子振动能快速从一个原子传递到下一个。

而石墨层间（即一层一层碳原子蜂窝网之间）没有超强的共价键，只有弱得多的范德华力，这使得石墨很软，轻轻一擦就掉一层，热量也很难在层间传递。

因此，手机里的石墨散热片实际作用是横向分摊热量、降低局部高温，而非垂直散发热量。在层内方向，石墨的热导率可达 2000 瓦 / 米・开尔文，电导率约 10⁴西门子 / 米；而层间方向热导率仅 6-10 瓦 / 米・开尔文，电导率约 10² 西门子 / 米。

这种方向性差异可达几个数量级，使石墨成为自然界中最典型的各向异性材料之一。六方氮化硼在某些物理性质上的不同方向极端差异远超一般材料的各向异性，因此被称为超各向异性材料。

例如，六方氮化硼面内方向的热导率约 400 瓦 / 米・开尔文，而垂直方向热导率仅约 2 瓦 / 米・开尔文。

更关键的是，六方氮化硼在中红外波段表现出独特的介电常数特性：面内方向介电常数为正，面外方向介电常数为负，形成双曲色散，这使其能在界面附近支持双曲声子极化子以近场电磁波形式高效传播，显著提升热传递效率。

通俗来说，六方氮化硼的结构如同层层叠叠的薄饼，不同方向的热导率等物理性质差异极大。

在中红外光下，六方氮化硼内部可使光与晶体的晶格振动以独特方式结合，形成双曲声子极化子现象。

这种结合通过近场辐射传递热量，类似于表面等离激元中的电磁波传播方式，能够在界面间快速传输热能。

双曲声子极化子是光与热振动结合的粒子，可像近场电磁波一样在材料表面快速穿行且几乎不被散射。

此外，双曲声子极化子由电磁驱动，能跨界传输能量，无需传统意义上的声子模式完美匹配，可显著降低界面热阻。

实验验证：效率跃升与技术前景的挑战

为了研究六方氮化硼在固体界面的超快热传递机制，研究人员使用了泵浦 - 探测热反射技术，通过短脉冲激光加热样品，另一束激光测量反射率随时间变化以推导热传递动态。

这一实验方法如同用超高速相机拍摄热量如何从金传递到六方氮化硼：泵浦光像点火器，加热金产生热电子；探测光像探照灯，专门照亮六方氮化硼的双曲声子极化子，记录热量传递的速度与距离。

通过实验，研究人员发现，金 - 六方氮化硼界面的热边界导热率达 100 兆瓦 / 平方米・开尔文，而传统声子传导的热边界导热率为 1-10 兆瓦 / 平方米・开尔文，双曲声子极化子模式效率提升了 10-100 倍。

根据推算，在双曲声子极化子模式下，金 - 六方氮化硼的界面热流传递时间约 0.01-0.1 毫秒，而传统声子传导需 1-10 毫秒。

六方氮化硼的这种特性为高功率电子和光子器件提供了革命性散热方案。不过目前实验仅聚焦于金 - 六方氮化硼界面，实验结果可能不适用于其他界面 —— 不同材料的声子谱和电子耦合特性可能降低双曲声子极化子效率。

此外，实验未明确六方氮化硼厚度，双曲声子极化子模式在不同厚度下的性能需进一步研究。

总的来说，这项研究展示了六方氮化硼在突破传统散热极限方面的巨大潜力。通过激发双曲声子极化子模式，它能实现前所未有的界面热传导率，有望彻底改变我们设计和管理高性能电子器件热量的方式。

虽然目前处于实验验证阶段，尚有材料界面适配、厚度控制等挑战待解，但这项技术为构建更安全、更稳定、更高效的未来电子设备打开了一扇新窗。

或许在不远的将来，我们再也不会为手机发烫、电脑过热而烦恼，因为热量还未积累便已被 “光速” 带走。

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