研究人员开发出可持续策略来操纵界面传热实现环保冷却应用

香港科技大学工学院的研究人员研发出一种可持续、可控的策略来操控界面传热，为提升电子、建筑物和太阳能电池板等各种应用中环保冷却的性能铺平了道路。

该团队的研究成果《直接观察水吸附物诱导的固体/多孔晶体界面可调热导率》近日发表于《自然通讯》杂志。该团队由周教授带头，成员包括其博士生王光、范宏照、李家旺，以及香港科技大学机械及航空航天工程学系副主任李志刚教授。

随着全球气温上升，对有效冷却解决方案的需求不断增长，世界各地的科学家一直在积极探索更有效的节能冷却技术。与完全依赖能源消耗运行的主动冷却相比，被动冷却依靠自然过程和设计原理来减少热量并保持舒适的温度，同时能耗低或不消耗能源。因此，这种方法因其环保性质和零电力特性引起了研究人员的广泛兴趣。

一个新兴的研究领域是利用金属有机骨架(MOF)进行被动冷却，这是一种多孔材料，可以捕获空气中的水蒸气，可用于提高室温空间冷却应用中的能源效率。

然而，MOF通常表现出较低的热导率，使其成为不良的热导体。此外，MOF中吸附的水分子的存在进一步降低了其有效热导率。这一限制使得操纵MOF的固有热传输特性以增强其冷却性能的空间很小。

为了解决这一问题，世界各地的研究人员将注意力转向了MOF与其接触材料之间的界面散热。人们采用了各种方法来增强界面热导率(ITC)，包括使用粘附层、纳米结构、化学改性和自组装单层。然而，合成或制造具有精确原子控制的缓冲层是一项具有挑战性的任务，限制了这些方法的潜在应用。

在他们的开创性工作中，由香港科技大学机械及航空航天工程学系周彦光教授领导的研究团队引入了一种可持续、可控的策略，利用水吸附过程来操纵接触基材和典型MOF之间的界面传热。

通过全面的频域热反射(FDTR)测量和分子动力学(MD)模拟，他们证明了接触基材和MOF之间的ITC显著改善。ITC从5.3MW/m2K提高到37.5MW/m2K，增强了约7.1倍。在其他Au/MOF系统中也观察到了有效的增强。

研究团队将这一改进归因于MOF内吸附的水分子促进了密集水通道的形成。这些通道充当额外的热通道，显著增强了界面之间的热能传递。

利用团队发展的频域直接分解法进一步分析发现，吸附水不仅激活了高频振动，而且增加了基底与MOF之间的振动态密度重叠，增强了热能从基底到MOF的耗散，凸显了吸附水分子的桥梁效应。

周教授表示：“这项创新研究不仅为MOF和其他材料之间的热传输提供了新的见解，而且对提高涉及MOF的冷却应用的性能也具有巨大的希望。通过利用水吸附过程，我们的团队在操纵界面传热方面取得了突破，为更高效的冷却技术铺平了道路。”

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