如果能有一个类似于那些电子和流体二极管的热敏二极管，原则上，它在一个方向上具有高热阻，但在另一个方向上具有低电阻，那就更好了。这种受限的单向热流将有助于 "倾倒 "进入一侧的热量，同时抵抗对面的热量。(注：在电子学中，术语 "热敏二极管 "指的是作为基本温度传感器的电二极管，这是一个非常不同的功能。)

 

一些背景资料：这样的安排确实存在，但程度非常有限，而且热敏二极管的概念和结构并不是新的发展。根据维基百科，该效应最早是在1930年代由伦斯勒理工学院的Chauncey Starr在铜/亚铜氧化物界面中观察到的。从2002年开始提出了理论模型来解释这种影响，并在2006年建立了第一个微观固态热敏二极管（《物理世界》，“声子变热”）。2015年，意大利研究人员宣布开发可工作的热敏二极管，并将他们的成果以 "Rectification of electronic heat current by a hybrid thermal diode"的形式发布。

 

现在，由弗吉尼亚理工学院（更好地称为弗吉尼亚理工学院）机械工程副教授Jonathan Boreyko领导的团队，已经开发出一种针对飞机热管理技术的热二极管，但它可能会适应其他领域，包括电子元件和封装冷却。

 

 

他们的方法使用两块平行的铜板，用厚度仅有微米的绝缘垫片隔开；一块铜板含有超亲水性灯芯结构，而另一块铜板则是光滑的疏水结构（图1）。第一块板的表面有一个由微柱组成的灯芯状结构，可以保持和传导水，而第二块平行板则是光滑的，并涂有疏水斥水层。

 

 

1. 平面桥接-液滴热二极管在稳态工作时的概念性概述。气室装置由灯芯结构（此处显示为顶板）和表现出光滑疏水涂层（紫色薄膜）的对立板（底部）组成。(a)正向模式的示意图，其中滴落式冷凝水穿过缝隙返回到灯芯蒸发器。(b) 反向模式的示意图，其中疏水侧被加热，而液体则被困在相反的灯芯内。(来源：弗吉尼亚理工学院)

 

在二极管的 "正向 "模式下（类似于导电），吸水板上的水从周围环境中吸收热量并蒸发成蒸汽。然后，这种蒸汽会穿过板间的狭窄缝隙传播，并在疏水板上凝结成露珠状的水滴。当水滴长大到足以弥合缝隙时，它们会被吸回灯芯结构，重新开始这个过程。滴状冷凝液的大接触角使其能够跨越间隙进行桥接，以补充灯芯蒸发器，提供持续的相变传热。

 

相反，在反向不导热模式下，热源现在在疏水板上，从而产生干涸，并在整个间隙中产生优异的隔热效果。由于水仍然被困在灯芯中，所以不会产生蒸汽；因此，该装置只能在一个方向上传导热量。疏水、不导电的一面可以防止热量通过空气或其他可能靠近的热源进入，同时允许二极管只管理来自其主要对象的热量。

 

实验安排的设计是为了提供支持以及实现热和其他测试（图2）。

 

 

2. 桥接-液滴热二极管的实验装置。(a)拥有尺寸为100×100×600μm的湿润微珠阵列的邪恶铜板的照片。(b) 完全组装好的蒸气室的照片。(c) 舱内不同组件的示意图。从上到下：邪恶的铜板、绝缘垫圈、疏水性促进剂及其底层铜板。(d)完全组装好的蒸汽室与散热器和绝缘层的照片。(来源：弗吉尼亚理工学院)

 

这种热二极管的传热比相当独立于方向，使其适用于包括空间相关冷却在内的应用。该团队报告了一个向前-向后（从前到后）的传热比--他们称之为 "diodicity"--为85（这是一个直接的比值，而不是dB）（图3）。目前的热敏二极管要么不是很有效，要么就是正向传热比反向传热多几倍。此外，与这种方法不同的是，它们需要重力来发挥作用。

 

 

3. 桥接液滴热敏二极管的热偶性η。黑条为误差条，代表三次独立试验的标准偏差。(来源：弗吉尼亚理工学院)

 

Boreyko指出，他和他的同事在测试装置中使用的防水涂层（1-十六烷硫醇在乙醇中的混合物）并不适合实际应用。不过，他表示，这种涂层可以用更耐用的替代品来代替，比如石墨烯或接枝聚合物。他指出："我们希望我们的桥接-液滴二极管的单向传热能够实现电子、飞机和航天器的智能热管理。"

 

该团队还希望将他们装置的二极性提高到100。这有可能通过降低微滴的高度来实现，这样较小的液滴就可以弥合两个铜板之间的绝缘间隙。研究人员还希望测试更耐用的疏水涂层。

 

这项工作的全部细节，包括材料、配置、热物理分析和方程，以及额外的测试结果，都可以在他们发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上的论文中找到，论文的标题很短，叫 "桥接-液滴热二极管"。该团队已经申请了临时专利，并正在寻找行业合作伙伴来继续这项工作。

 

 

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