来源：Nature

原文：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08052-1

01 背景介绍

随着微流体技术的迅速发展，特斯拉阀因其在流体流动整流中的独特优势而成为了研究热点。特斯拉阀的设计利用了流体的不对称性，使得在不同流向上的流动表现出显著的阻抗差异，从而实现了无活动部件的流体整流。然而，在微固体通道中实现热声子的整流却面临更大的挑战，主要由于声子之间缺乏动量守恒的碰撞以及液态声子流动的不频繁现象，这使得热整流的实现复杂化。

02 成果掠影

基于上述问题，东京大学Xin Huang，Masahiro Nomura教授团队等，首次在同位素富集的石墨晶体中设计了微米级的特斯拉阀，研究其在热传导中的整流效果。通过在90 nm厚石墨中构造实现特斯拉阀，于45 K温度下，观察到不同流动方向上的热导率存在15.2%的显著差异。研究揭示了声子在固体材料中流动的复杂性，固态声子流动面临动量守恒碰撞缺乏和类液体流动稀少的挑战。这一结果为利用声子集体行为进行微纳米尺度电子设备的热管理提供了新的思路和方法，为热整流的实际应用奠定基础。研究成果以“A graphite thermal Tesla valve driven by hydrodynamic phonon transport”为题发表在《Nature》期刊。

03 图文导读

图1. 石墨特斯拉阀和热特性。

图2. 声子特斯拉阀的蒙特卡罗模拟。

图3. 石墨特斯拉阀的热导率。

图4. 石墨特斯拉阀中的热整流。

04 总结

本文的研究为热流逆转的实现提供了新的视角，强调了微米级通道设计在集体声子运动和Poiseuille热流中的重要性。通过采用直入流和适当长度的弯曲通道，能够有效增强声子水动力流动，从而提高热整流效果。

此外，研究表明，连接多个特斯拉阀单元串联的设计理念，在流体力学中已被证明有效，也可为提高石墨特斯拉阀的热整流效果提供可行的途径。然而，现阶段的制造限制使得实际的悬浮石墨结构局限于约100×100 μm²的片状规模，未来的实验研究应着重探索更宽的通道宽度和延长弯曲通道的出口长度，以进一步提高整流性值。在样品制备和表征过程中，采用了多种先进技术，如电子束光刻、氧气等离子体刻蚀和次级离子质谱等，确保了样品的单晶特性。这些研究不仅为声子水动力学在固体热整流中的应用提供了重要的实验基础，也为未来开发更高效的热管理材料和器件奠定了坚实的理论依据和技术支持。

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