科羅拉多大學博爾德分校的一個物理學家團隊已經解決了納米領域一個令人困惑的現象背後的奧秘：為什麼一些超小的熱源在你把它們擠得更近時冷卻的更快。這一發現將於本周發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，有朝一日可以幫助科技行業設計出更快的電子設備的同時減少過熱。
這項研究始於一個無法解釋的觀察。2015年，由JILA的物理學家Margaret Murnane和Henry Kapteyn領導的研究人員在硅基上用比人的頭髮寬度還要薄很多倍的金屬條進行實驗。當他們用激光加熱這些金屬條時，發生了一些奇怪的事情。這些納米級的熱源通常不會有效地散去熱量。但是如果你把它們緊緊地包在一起，它們就會更快地冷卻下來。
現在，研究人員知道為什麼會發生這種情況。
在新的研究中，他們使用基於計算機的模擬來跟蹤熱量從他們的納米大小的條狀物中通過。他們發現，當他們把熱源放在一起時，它們產生的能量振動開始相互反彈，將熱量散射出去，使條狀物冷卻下來。
該小組的結果突出了設計下一代微小設備的一個主要挑戰，如微處理器或量子計算機芯片。當你縮小到非常小的尺度時，熱量並不總是像你認為的那樣表現出來。
研究人員補充說，設備中的熱量傳輸很重要。計算機芯片等電子產品的設計中，即使是微小的缺陷，也會使溫度升高，增加設備的磨損和撕裂。隨着科技公司努力生產越來越小的電子產品，他們將需要比以往更加關注聲子–在固體中攜帶熱量的原子的振動。熱流涉及非常複雜的過程，使其難以控制。但是，如果能夠理解聲子在小尺度上的行為，那麼我們就可以調整它們的傳輸，使我們能夠建造更有效的設備。
為了做到這一點，Murnane和Kapteyn以及他們的實驗物理學家團隊與Ann and H.J. Smead航空航天工程科學系教授Mahmoud Hussein領導的理論家小組聯合起來。他的小組專門研究模擬，或對聲子的運動進行建模。研究人員重現了他們幾年前的實驗，但這次完全是在計算機上進行的。他們建立了一系列硅條的模型，像火車軌道的板條一樣並排鋪設，並對它們進行加熱。
這些模擬是如此詳細，以至於該團隊可以從頭到尾跟蹤模型中每一個原子的行為–總共有幾百萬個原子，就如同在挑戰科羅拉多大學博爾德分校的Summit超級計算機的內存極限。
這項技術得到了回報。例如，研究人員發現，當他們將硅條間隔得足夠遠時，熱量往往會以一種可預測的方式從這些材料中散發出去。能量從硅條上泄漏到它們下面的材料中，向各個方向消散。
然而，當這些硅條靠得更近時，發生了另一種情況。隨着來自這些源頭的熱量散開，它有效地迫使能量更強烈地流向遠離源頭的統一方向，就像體育場里的一群人互相推搡並最終躍出出口。該小組將這種現象稱為”定向熱導流”。
這種現象增加了熱量向下進入基材並遠離熱源的傳輸。研究人員懷疑，工程師們有朝一日可以利用這種不尋常的行為來更好地掌握小型電子器件中的熱流–將能量引向所需的路徑，而不是讓它亂跑。目前，研究人員認為最新的研究是來自不同學科的科學家在一起工作時能夠做到的。