納米傳熱

近半個多世紀以來，微納尺度科技突飛猛進，極大地促進了計算機等新科技產品的發明和飛速發展。納米科技通常指代尺度在1到100nm之間物質特性的研究。 ^[1]  由於納米尺度下的材料擁有極高的表面體積比，它們獨特的輸運性質（包括熱量輸運）吸引了眾多的科研工作者的目光。

芯片的小型化和集成化會導致單位面積內芯片產熱的增加，所以芯片的散熱性能是芯片設計必須考量的。例如因特爾的奔騰4處理器，一平方釐米大小，產生了60W的熱量。研究納米傳熱的意義在於，納米傳熱研究的開展可以為設計新型的電子器件提供重要的參考，同時對於基礎的納米材料輸運特性的瞭解也將推進物理學的發展。

1963年的諾貝爾物理學獎得主，理查德·費曼在1959年做了一個題為《在底層有廣大的空間》的前瞻性演講。

在演講中，他描述了很多偉大的設想，諸如：將世界上所有的書都儲藏在灰塵大小的裝置中；可以進入人身體的微尺度醫療機器人；微型電腦；重新排列原子 等等。在當時，他的演講被認為是相當激進的，從2013年來看，他所有的設想都是有物理基礎，並在今天逐步地在實現。這些都歸功於微納尺度科技的迅速發展。

在經典傳熱的理論框架下，傳熱有三種形式：熱傳導，熱對流以及熱輻射。納米傳熱領域的研究集中在非金屬材料中，熱量在納米尺度的熱傳導。在非金屬材料中，熱量是靠聲子（phonon），即原子的振動，來傳輸的 ^[3]  。聲子熱傳的複雜性在於，它有着極廣的頻率分佈和差異極大的自由程。對於尺寸大的宏觀尺度的物質，在室温條件下，熱量主要是靠自由程在1-100 nm的聲子輸運的。 ^[4]  納米傳熱的諸多研究對象裏，納米結構的大小通常和聲子的自由程在同一個範圍內，對於特別小的納米線，納米結構的大小會和聲子的波長在同一個尺度內。由此，大尺度下的很多通用的理解就不再適用於納米尺度。更為重要的是，在大尺度下有着嚴格定義的概念，諸如温度，在微尺度的條件下如何定義？納米系統中，由於尺寸小，各個納米結構之間有着無數的接觸界面，所以，材料之間的接觸熱阻也對高熱導率的納米材料在現實中的應用提出了挑戰。

傅立葉定律是傳熱學中的基本定律，其表述形式如下：

Q是熱流密度，k是熱導率，

是温度梯度。

傅里葉定律的文字表述：在導熱現象中，單位時間內通過給定截面的熱量，正比例於垂直於該界面方向上的温度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與温度升高的方向相反。需要指出的是，傅立葉定律在納米尺度下，仍然適用，並且仍然是計算納米線，納米帶熱導率的最基本公式。

納米傳熱的研究對象也在隨着新材料的不斷合成而發展。21世紀以前，納米傳熱研究更多地集中於分子動力學，Boltzman輸運方程進行數值計算和模擬。進入新世紀以來，有諸多實驗手段對納米材料的熱性質進行研究。比如 UIUC Dr.Cahill的3-omega方法，UC-Austin 教授 Dr.Shi Li ^[5]  ，Vanderbilt教授 Prof.Deyu Li在伯克利期間提出的 Micro-Heater 測量手段 ^[6]  以及Iowa State U的 Xinwei Wang教授提出的 Transient Electro-Thermal(TET) 技術 ^[7]  。

納米線，石墨烯，碳納米管（CNT）