金属导热上限被改写
环球科学约 3 分钟制图：托马斯·富克斯（Thomas Fuchs）
撰文 瑞秋·努尔（Rachel Nuwer）
铜在全球散热领域占据着主导地位。一个多世纪以来，铜一直被公认为自然界最优良的导热体之一，使得铜成为电子设备、工业装备、数据中心和电力系统散热的首选材料。但如今，一种刷新导热性能纪录的新型金属出现了。
《科学》（Science）近期发表的一项研究称，一种名为θ相氮化钽（θ-phase tantalum nitride）的金属材料的热导率高达约1110瓦每米开尔文（W/m·K），约为铜（400 W/m·K）的三倍。而且，这种材料的导热机制此前从未被科学家发现。“我们的结果打破了金属材料导热性能长期以来的上限，”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的物理学家兼工程师胡永杰（Yongjie Hu，这项研究的通讯作者）说，“这种导体展现出了超强性能，有望作为铜的补充，甚至取而代之。”
类似于纯碳可以形成金刚石、石墨烯等不同结构，氮化钽也拥有多种性质迥异的形式。科学家早在数十年前就已发现氮化钽的一些形式，但此前没人研究过胡永杰及其同事所关注的特定构型。在这种氮化钽构型中，原子以高度有序的晶格形式排列。
声子是描述原子集体振动的准粒子，负责热传导和声波传播。研究人员发现，相比于传统金属，电子和声子在这种氮化钽中运动遇到的阻力更小，因而展现出更卓越的导热性能。
这种氮化钽还揭示了一种此前未被发掘的金属导热增强策略。在普通金属中，声子会频繁地与其他声子或电子碰撞，由此削弱它们的散热能力。而在胡永杰团队研究的氮化钽中，晶格的原子结构使声子受到的干扰极小，从而使声子传播更长的距离。胡永杰指出，这一发现为科学家开发下一代热管理材料提供了新的思路。
美国明尼苏达大学的机械工程师王晓佳（Xiaojia Wang，音译，未参与这项研究）评价道，这项研究“不仅成果惊人，其背后体现的机制理念也很重要”。她指出，研究团队对测量结果进行了严格验证，确保了数据的稳健性。而且假如这种材料能实现规模化生产，将对电子设备、数据中心和能源系统的热管理产生“显著影响”。胡永杰补充道，随着人工智能应用日益普及，散热成为数据中心的瓶颈，θ相氮化钽有望发挥尤为重要的作用。
这项研究或许还能启发材料科学家去挑战其他长期存在的科学桎梏。“我们是否真的洞察了物理极限的真相？抑或那些数十年来被视为不可逾越的边界，仅仅折射出了我们当前的技术与认知水平？”胡永杰问道，“既然金属导热性能纪录已被打破，这促使我们重新思考：在材料物理学中，其他那些被公认的边界，是否同样可以被突破？”
本文选自《环球科学》5月刊“前沿”栏目。
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