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室溫下的波動型熱傳導

目前全世界的火力電廠、核能電廠、汽車引擎,乃至手上的熱咖啡,都產生一堆不能回收利用的廢熱。如果能把這些廢熱回收幾個百分點,對於全球能源的有效運用會有重大的影響。
 
 
 
當工程師絞盡腦汁想解決中央處理器的散熱問題時,或許沒有想到,他們所依賴的基本假設–熱傳導–是一種擴散現象,必須重新審視。臺灣大學凝態科學研究中心副研究員張之威在室溫下發現以往認為只有在非常低溫下才有辦法觀察到的波動型熱傳導現象,為熱傳導波動工程打開了廣大的研究領域,也為熱電能源科技開啟一個新方向。

傳統假設認為,從物體一端加熱以後,攜帶熱能的基本單元–聲子–會開始碰撞下一個聲子,一直從高溫碰撞到變成低溫,就是熱能的傳送方式,因此熱傳導是一種擴散現象。又因為聲子在每一次的碰撞中會毀壞聲子的波動性質,所以有熱能損耗而產生廢熱。廢熱在電路板上囤積過多時會造成電路故障,在火力發電時產生的廢熱則有能源浪費、熱汙染等問題。

依照物理定律,所有現象裡面都有著量子的波動現象,波動現象猶如把石子丟入池塘裡導致水波向外擴散一樣。因此在熱傳導時,若能把前一個聲子碰撞下一個聲子所走的距離拉開,就有機會看到聲子的波動現象。因為波動現象出現在兩次碰撞之間,所以波動型熱傳導沒有熱能損耗,也就沒有廢熱的產生。

張副研究員在室溫下觀察熱電材料的熱傳導性質時發現,矽鍺奈米線的聲子的平均自由徑超過8.3微米,遠遠大於以往所認為的幾個奈米。平均自由徑是指聲子能夠保持波動現象的長度,也是聲子歷經兩次碰撞所走距離的平均值。這個發現意味著,矽鍺奈米線在室溫下的8.3微米距離內,可以進行無熱能損耗的波動型熱傳導。

矽鍺奈米線是半導體業界使用很久的材料,因其具有由特殊聲子合金散射機制所造成的濾波功能,所以可以有效地把高頻的聲子過濾掉,導致只有0.04% 的熱能可以被頻率小於0.4 THz(兆赫茲)的聲子傳播出去,使得矽鍺半導體的熱傳導率很低,卻有著超長的聲子平均自由徑。其後,研究團隊又在實驗中證明,把矽鍺奈米線串聯起來的總熱阻,遵守著一個1+1=1、1+2=2的奇妙加法規則,並在實驗中發現非傳統型的接觸熱阻,這些證明與發現都是熱傳導波動現象的特殊表現。

全世界約有90% 的能源是透過熱能轉化成電能而來,而熱機的運轉效率又比熱力學的效率低,這個情況造成目前全世界的火力電廠、核能電廠、汽車引擎,乃至手上的熱咖啡,都產生一堆不能回收利用的廢熱。張副研究員指出,如果能把這些廢熱回收幾個百分點,對於全球能源的有效運用會有重大的影響。

總的來說,發現了常溫下的熱傳導波動現象以後,許多波動光學的知識與觀念可應用到熱波動學上,或用來製造新的量子元件。若把熱電元件當作一種開發能源,就有機會把咖啡釋出的熱能轉變成充電能源,把火力發電產生的廢熱轉變成電能,或把汽車排放的廢熱轉化成電能。
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