石墨层间螺旋扭转最小化实现超高面外热导率的突破

来自Zhao等研究团队的最新研究表明，通过优化石墨晶体层间螺旋扭转结构，可将其面外热导率(through-plane thermal conductivity)提升至13.4 W m?1 K?1，较传统认知值翻倍。该研究揭示了层间扭转导致范德华力(van der Waals)减弱是制约声子输运(phonon transport)的关键因素，为电子器件热管理材料设计提供了新范式。

　　

石墨作为散热材料的"双面性"令人又爱又恨——其面内热导率(in-plane thermal conductivity)高达2000 W m^?1 K^?1，但面外热导率却长期被低估在5-9 W m^?1 K^?1范围。最新研究像拆解俄罗斯套娃般揭开了这个谜团：石墨层间存在的螺旋扭曲(helical twist)就像打结的耳机线，会使碳原子偏离势能最低点，导致层间范德华相互作用(van der Waals interaction)减弱十倍。这种"分子级打结"现象对声子(phonon)来说犹如遭遇减速带，尤其阻碍其垂直方向传输，使得面外热导率骤降。

研究团队通过精密调控晶体取向，将石墨面外热导率推升至13.4 W m^?1 K^?1的新高度，相当于传统认知值的两倍多。更有趣的是，声子在此方向的平均自由程(mean free path)突破1微米大关，这解释了为何平面二维材料普遍存在面外导热短板，而褶皱结构材料如黑磷(black phosphorus)却能幸免。该发现为开发"立体散热"石墨烯热沉(heat sink)指明了方向，未来或可让手机处理器像"三明治散热器"般实现多维高效导热。