你能想象吗？在材料科学领域，一直以来大家都觉得，要做出散热性能好的聚合物材料，用完美无缺的填充材料才是最佳选择。但最近，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校牵头的一个研究团队，却发现了一个让人意想不到的事实，打破了这个固有观念。
咱们生活里的各种高科技产品，像高速运行的电脑芯片、闪闪发光的LED灯、时刻不离手的智能手机，还有灵活的软体机器人，里面都有聚合物的身影。聚合物凭借着重量轻、能绝缘、柔韧性好、加工方便这些优点，在现代科技领域占据了重要位置。可它有个大麻烦，就是普通聚合物的导热性能太差，很容易导致设备发热。要是热量散不出去，设备里就会出现危险的“热点”，不仅会让设备性能下降、加快磨损，严重的时候还可能引发故障，甚至起火。
为了解决这个问题，这些年科学家们想了不少办法。其中一个常见的思路，就是往聚合物里添加导热性能好的填充材料，比如金属、陶瓷或者碳基材料。按道理来说，加了这些导热填料，聚合物整体的导热性能应该会变好。就好比把钻石加到聚合物里，钻石的导热率高达每米每开尔文2000瓦，要是聚合物里有40%都是钻石填料，理论上它的导热率能达到800瓦每米每开尔文。但在实际操作中，因为填料容易聚集、有缺陷，聚合物和填料之间接触电阻大，还有聚合物基体本身导热率低等问题，根本达不到预期效果。
这次，研究团队为了弄清楚聚合物材料里的热传导机制，以及如何控制不同材料界面间的热传递，他们做了一项实验。研究人员用聚乙烯醇（PVA）制备了两种聚合物复合材料，一种加的是完美的石墨填料，另一种加的是有缺陷的氧化石墨填料，而且填料的体积分数都比较低，只有5%。
一开始，他们发现单独来看，完美的石墨填料导热性能确实比有缺陷的氧化石墨填料好很多。纯净的石墨导热率大约是每米每开尔文292.55瓦，而氧化石墨只有每米每开尔文66.29瓦，相差差不多5倍呢。可让人惊讶的是，当把这些填料加到聚合物里后，加了有缺陷氧化石墨填料的聚合物，导热性能比加完美石墨填料的聚合物高出了160%！
这是为什么呢？研究团队通过热传输测量、中子散射、量子力学建模和分子动力学模拟等多种实验和模型研究发现，原来有缺陷的填料表面不平整，这就使得聚合物链条没办法像遇到完美光滑填料那样紧密排列。在聚合物和有缺陷填料的界面处，出现了一种增强的振动耦合现象，这种现象能提高导热率、降低热阻，让材料导热更高效。用北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系副教授刘军的话来说，“缺陷有时候就像桥梁，能增强界面间的耦合，让热量传递得更好。”
马萨诸塞大学阿默斯特分校机械与工业工程助理教授、这篇研究论文的通讯作者徐燕飞认为，这次实验和理论研究的成果，为研发超高导热率的新型聚合物材料打下了基础。以后，高性能微芯片、下一代软体机器人等设备，有望借助这些新型材料，更好地散热，运行起来温度更低、效率更高。这项研究是由美国国家科学基金会资助的，相关成果已经发表在《科学进展》杂志上。
参考资料：DOI: 10.1126/sciadv.adp6516
