熱晶體：像操縱光線一樣操縱熱能
來源： 環球科技 | 0評論 | 3306查看 | 2013-08-02 11:46:00
光線可以通過透鏡進行聚焦和散射，但我們能不能讓單純的“熱”像光線一樣“聚焦”呢？近日麻省理工學院（MIT）一位名為馬丁·馬爾多瓦（Martin Maldovan）的科研人員研發了一套新技術，讓人們可以像控制光線一般操控熱能。
如上所示是熱能晶格，它是熱晶體最有可能的應用方向之一。在此結構中，
準確排列的空氣間隔（黑色圓圈）將成為熱波的傳導通路，而熱能不會外泄至彩色的區域中
這項技術的關鍵是使用合金化半導體納米晶體（nanostructured semiconductor alloy crystal），其理論依據為——熱量與聲波相同，都是由物質的原子晶格震動而產生。用這種理論解釋，聲音實質上是由一束“聲子”（與光子的概念類似）震動產生的。我們都知道，使用光子晶體（比如透鏡）可以控制光線的通路，那么聲子晶體便可以控制聲音的通路，自然，“熱聲子（heat phonons）晶體”便可以控制熱量的通路。
馬丁·馬爾多瓦是麻省理工學院材料科學與工程學院的研究科學家，他解釋說，不同材質的區別在于它們適配于不同種類能量的不同波長。馬爾多瓦的最新研究發表在1月11日的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
馬爾多瓦解釋道，熱量和聲音的不同在于它們的波頻，聲波頻率較低，在千赫茲級別；熱波頻率則要高得多，在太赫茲（萬億赫茲）級別。利用熱的波性實現對其的控制，“這是一種前所未有的創新”。
為了模仿控制聲波的手段來控制熱量，馬爾多瓦的首要任務是降低這些“熱聲子”的震動頻率，讓其更加接近聲音的波頻區間。馬爾多瓦將這種降頻的熱量成為“超音速熱波（hypersonic heat）”。
“聲子可以到達千里之外，但熱聲子只能到達納米之外。這就是為什么即使有太赫茲級別的震動在發生，你也‘聽’不到溫度。”馬爾多瓦繼續解釋道，聲波頻率的跨度相對于較小，而熱量比聲音難控制一大原因是頻率跨度太大。馬爾多瓦說，“我們要把它的頻率降下來”，要將頻率降至熱量和聲波的邊緣區間。為了達成這一目的，他使用了摻入納米鍺粒子的硅材料，并將這種材質制成薄膜，使熱聲子的震動頻率降到了理想水平。
使用此技術后，熱波的頻率會被集中到100到300吉赫茲（千兆赫茲），多數熱聲子還會以特定方向傳播，不會四處發散。達成此目的后，效仿聲子晶體的工作模式，便可使用特定晶體控制熱波的通路。因為這種晶體是用于控制熱量的，馬爾多瓦創造性地將其稱為“熱晶體（thermocrystals）”，這是一種前所未有的材料種類。
熱晶體的應用領域相當廣泛，比如熱能發電，之前的熱電材質無法控制熱量的方向，好比一顆石子丟進水中，瀲滟四面八方。但這種新技術通過對熱子的處理，實現了熱波的定向傳播，可以方便快捷地把熱量轉化為電能，大大提高轉化效率。馬爾多瓦補充道，熱波單向傳播的特性還可被用于制造熱能二極管，諸如此類等等。
此技術的另一用途是將熱量匯聚到一個極小的點上，就像凸透鏡把光匯聚到一個點上一樣，利用熱晶體的特性，人們說不定還能制造出可見光及微波無法探測到的“隱形衣”。
北卡羅來納州RTI國際研究院固體熱力學中心（Center for Solid State Energetics）的高級研究總監羅摩·文卡塔薩布拉曼尼亞（Rama Venkatasubramanian，好長的名字）表示，使用固體材料控制熱能是一個非常有意思的嘗試。但他補充說，此模型還不夠成熟，“關于不同聲子波長的理論很復雜，溫度如何影響熱傳導比率的因素也必須被考慮在內，別說是納米材料了，連簡單材質都難考量這些因素。不過，這份研究的出爐可以引起許多人的興趣，并引導人們在這個方向上進行更多的探索。”
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