清华大学郑泉水院士和北京大学宋柏研究员团队在自超滑热输运领域取得新进展
近年来，面向人工智能与物理世界的深度交互，各类具备主动感知与执行能力的动态器件快速发展，对高性能传感器和驱动器提出了全新的要求。从微纳驱动器、精密运动平台，到高速存储、半导体装备和航天机构，越来越多的系统都面临一个共同问题：如何让两个界面既能够自由运动，又能够长期稳定、高效地传递热量？
在传统固体接触中，这两种需求往往存在天然矛盾。高效导热通常要求两个表面紧密接触；但一旦充分接触，摩擦、黏附和磨损又会显著增加。传统工程表面不可避免地存在微观粗糙度，两个固体之间真正发生接触的区域通常只集中在少量微凸体上，实际接触面积通常不足名义面积的1%。这不仅限制了界面热传导能力，持续运动产生的磨损还会不断改变界面形貌，使热导进一步退化。自超滑技术为突破这一困境提供了新的可能。其近零摩擦和零磨损特性使界面在保持自由运动的同时仍可维持充分的原子级接触，从而有望兼顾可动性与高效导热。
近日，清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士团队与北京大学宋柏研究员团队合作，在自超滑运动界面热输运研究方面取得重要进展。研究团队以金/石墨异质超滑界面为研究对象，实现了界面机械操控与热输运测量的结合。研究发现，金/石墨结构超滑界面的热导可稳定保持在约30 MW m-2 K-1。相比传统可动接触，其热导可提高两个数量级以上。即使界面连续发生大角度旋转，或者经历数千次往复滑动，其热导仍几乎保持不变，显示出自超滑界面在兼顾界面可动与高效导热方面的独特优势。该研究以“可动异质界面的鲁棒高热导”（Moving heterointerface with robustly high thermal conductance）为题，发表于物理学经典期刊《Physical Review X》。
图1. 金/石墨界面热导的转角鲁棒性
图2. 金/石墨界面热导的滑动鲁棒性与磨损对比
研究团队进一步结合机器学习势非平衡分子动力学模拟和第一性原理计算发现，金/石墨界面的热输运主要由声子-声子耦合贡献，其中面外声子模式占主导。这类声子对界面堆垛方式和滑移位置并不敏感，而容易受到转角影响的面内声子对总热导贡献较小。因此，无论金岛发生旋转还是滑动，界面整体热输运能力都能保持稳定。
长期以来，高效导热通常要求界面尽可能紧密接触，而运动又往往需要降低黏附和摩擦，两者在传统接触界面中难以兼得。该研究表明，自超滑可以在保持充分接触的同时实现近零摩擦和无磨损运动，从而构建一种“既能动、又导热”的理想运动接触。对于基础研究而言，这为排除粗糙度和磨损干扰、探索动态界面中的声子物理提供了独特平台。与此同时，随着自超滑材料体系的不断拓展以及宏观尺度超滑技术的发展，这类兼具低摩擦、零磨损和高效导热特性的可动界面也有望在新型微纳器件和动态机械系统的热管理中发挥重要作用。
论文信息：
清华大学深圳国际研究生院郑泉水院士、北京大学宋柏研究员为共同通讯作者。清华大学工程力学系与北京大学联合培养的博士毕业生杨馥玮，北京大学博士生周文江，清华大学博士后王叶凌怡为共同第一作者。论文合作者还包括北京大学研究员王毓熙、清华大学深圳国际研究生院助理教授彭德利。本研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金及深圳市超滑技术重点实验室等支持。
《Physical Review X》全文论文链接：https://doi.org/10.1103/yzn5-723b
