时域热反射测量系统助力特斯拉阀新突破！

【研究背景】

声子流体动力学是指声子（热振动量子）在固体材料中的集体行为，因其在热管理、电子设备等领域的潜在应用而备受关注。与传统的热导材料相比，石墨等声子流体动力学材料具有优异的热导率和较强的声子流动能力，能够实现更高效的热传导。然而，在微固体通道中，声子热导整流的复杂性加大，主要由于声子之间缺乏动量守恒碰撞以及类液体声子流动的频率较低，这为实现高效的热管理带来了挑战。

为了解决这些问题，日本东京大学Xin Huang，Masahiro Nomura等教授在声子流体动力学的研究中取得了新进展。他们设计并制备了微米级的特斯拉阀，采用同位素富集的石墨晶体，成功实现了热导整流。通过使用热反射技术，研究团队观察到在45 K下，特斯拉阀在相反方向的热导率存在显著的15.2%差异。这一发现表明，声子流体动力学不仅可以用于液体流动的整流，还能在固体材料中实现热导的整流，具有重要的应用潜力。

【表征解读】

在本文中，作者通过微米尺度的时间域热反射（μ-TDTR）测量技术，对石墨特斯拉阀的热传导特性进行了深入研究。该技术使作者能够定量分析热耗散过程，通过对反射率变化的精确测量，揭示了在特斯拉阀结构中声子输运的微观机制。这一发现为理解在相变热流动和声子水力学中的热输运行为提供了重要的实验数据。

针对声子热流动的逆向现象，作者设计了前向和反向特斯拉阀结构，并通过精确的微米尺度设计，对流体动力学中的声子流动进行了表征。实验结果显示，声子在弯曲通道中的运动呈现出明显的水动力流动特征，这一现象的观察与理论模型相符，从而为作者在石墨材料中实现热整流提供了实验依据。作者通过有限元法（FEM）仿真对声子输运过程进行了模拟，揭示了弯曲通道长度和直通道入口形状对热整流效应的重要影响。通过这些微观机理的表征，作者成功获取了声子传输过程的细节，从而挖掘出优化石墨特斯拉阀的设计潜力。

在此基础上，结合电子束衍射（EBSD）和次级离子质谱（SIMS）等多种表征手段，作者进一步探讨了样品的晶体特性与热传导性能之间的关系。EBSD分析结果显示，作者的石墨样品具有单晶特性，其一致的晶体取向确保了声子输运的高效性。而SIMS则揭示了作者制备的石墨材料中同位素组成的纯度高达99.98%的特征，表明材料在热传导实验中具备优越的基础特性。这些表征手段的应用，促使作者对材料内部声子运动的理解更加深刻，进而在石墨特斯拉阀中实现了更为有效的热整流效果。

【图文速递】

图1: 石墨特斯拉阀和热特性。

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图2: 声子特斯拉阀的蒙特卡罗模拟。

图3: 石墨特斯拉阀的热导率。

图4: 石墨特斯拉阀中的热整流。

【结论展望】

本文研究了石墨Tesla阀的热流反转及其热整流效应，通过微米尺度的通道设计实现了有效的声子流动。首先，平直的进口和合理的通道长度被证明是实现声子水动力流的重要因素，而这在之前的电子水动力研究中未被充分考虑。接着，提出了通过将多个Tesla阀单元串联来增强热整流效应的策略，为今后的研究提供了新的方向。此外，采用了先进的样品制造和表征方法，如电子束光刻和次级离子质谱分析，确保了样品的高质量和一致性。

研究结果表明，在单晶石墨样品中，具有镜面对称几何形状的设计对热流反转具有重要意义。这为深入理解热整流现象及其应用提供了实验基础。最后，基于时间域热反射法（μ-TDTR）提取的热导率，为今后在固体热整流器中的声子水动力学研究奠定了理论和实验依据。

原文详情：Huang, X., Anufriev, R., Jalabert, L. et al. A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport . Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08052-1