固液界面熱輸運(yùn)性能在復(fù)合高分子材料、納米流體、電子器件熱管理以及納米微粒輔助治療等應(yīng)用中都扮演了至關(guān)重要的角色。例如，納米流體的熱導(dǎo)率可能遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)液體的熱導(dǎo)率，因此有望廣泛應(yīng)用于微電子器件、燃料電池、家用冰箱、空調(diào)散熱，化工制藥、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力車熱管理以及鍋爐煙氣降溫等領(lǐng)域。然而在納米流體等納米材料中，隨著結(jié)構(gòu)特征尺度的減小，固體材料的總表面積迅速增大，固液界面的熱輸運(yùn)性能對(duì)材料在實(shí)際應(yīng)用中的熱輸運(yùn)性能影響十分顯著，因此對(duì)界面熱輸運(yùn)機(jī)理的研究以及固液界面熱輸運(yùn)性能的調(diào)控將對(duì)以上工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起到重要促進(jìn)作用。
基于以上背景，近日，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所傳熱傳質(zhì)研究中心聯(lián)合美國(guó)圣母大學(xué)的科研人員建立了基于飛秒激光抽運(yùn)探測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（femtosecond laser pump-probe experimental system）的固液界面熱導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)多種固體和液體材料的界面熱導(dǎo)進(jìn)行了測(cè)量，固體材料包括金屬鋁和金屬金，液體材料包括水、酒精、十六烷以及石蠟等。通過(guò)對(duì)固液界面熱導(dǎo)測(cè)量結(jié)果的分析以及利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)固液界面熱導(dǎo)的計(jì)算，科研人員對(duì)固液界面熱輸運(yùn)的機(jī)理和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)詳盡的研究，包括固液界面浸潤(rùn)性以及分子振動(dòng)態(tài)密度匹配程度對(duì)固液界面熱輸運(yùn)性能的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論的指導(dǎo)，科研人員進(jìn)一步嘗試對(duì)固液界面熱輸運(yùn)性能進(jìn)行調(diào)控。研究人員利用分子自主裝技術(shù)在金屬金表面制備了一系列與液體十六烷具有類似分子結(jié)構(gòu)的自組裝單分子層（self-assembled monolayer），包括具有從2至18個(gè)碳原子的硫醇分子，這些硫醇分子可以與金屬金形成共價(jià)鍵同時(shí)與液體十六烷具有類似的分子振動(dòng)態(tài)密度分布，利用該方法科研人員極大地提高了固液界面的熱輸運(yùn)性能，界面熱導(dǎo)最大提高約5倍。該方法有望應(yīng)用于更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，推動(dòng)微納尺度固液熱管理系統(tǒng)的實(shí)用化。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No. 51336009）的支持，研究成果已發(fā)表在材料科學(xué)類國(guó)際雜志Advanced Materials上。
