固液界面热输运机理及调控研究取得新进展

基于飞秒激光抽运探测实验系统的固液界面热导测量系统

　　近日，中科院工程热物理研究所传热传质研究中心联合美国圣母大学的科研人员，建立了基于飞秒激光抽运探测实验系统的固液界面热导测量系统，并利用该系统对多种固体和液体材料的界面热导进行测量，固体材料包括金属铝和金属金，液体材料包括水、酒精、十六烷以及石蜡等。

　　固液界面热输运性能在复合高分子材料、纳米流体、电子器件热管理以及纳米微粒辅助治疗等应用中都扮演了至关重要的角色。例如，纳米流体的热导率可能远高于对应液体的热导率，因此有望广泛应用于微电子器件、燃料电池、化工制药、汽车发动机等领域。

　　然而，在纳米流体等纳米材料中，随着结构特征尺度的减小，有限体积内固体与液体材料的总表面积迅速增大，固液界面的热输运性能对材料在实际应用中的热输运性能影响十分显著，如果将材料内部的热输运类比于公路上通行的车辆，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决定了整条公路的通行能力，而自组装单分子层就是提高十字路口通行能力的立交桥，因此对界面热输运机理的研究以及固液界面热输运性能的调控将对以上工业领域的发展起到重要促进作用。

　　通过对固液界面热导测量结果的分析以及利用分子动力学模拟方法对固液界面热导的计算，科研人员对固液界面热输运的机理和影响因素进行了系统详尽的研究，包括固液界面浸润性以及分子振动态密度匹配程度对固液界面热输运性能的影响。根据实验和理论的指导，科研人员进一步尝试对固液界面热输运性能进行调控。

　　研究人员利用分子自主装技术在金属金表面制备了一系列与液体十六烷具有类似分子结构的自组装单分子层，包括具有从2~18个碳原子的硫醇分子，这些硫醇分子可以与金属金形成共价键同时与液体十六烷具有类似的分子振动态密度分布，从而在金属金与液体十六烷的热运输过程中起到了桥梁的作用，利用该方法科研人员极大地提高了固液界面的热输运性能，界面热导最大提高约5倍。该方法有望应用于更广泛的工业领域，推动微纳尺度固液热管理系统的实用化。