來源：光明日報

記者：晉浩天

手機越用越燙、電腦風(fēng)扇狂轉(zhuǎn)……這些困擾現(xiàn)代人的日常煩惱，背后都指向同一個難題：高功率電子器件的散熱。當(dāng)芯片越做越小、功率越來越高，如何把熱量精準(zhǔn)“送出去”，又不讓這些熱量“偷跑”回來，成了熱管理領(lǐng)域的“老大難”問題。日前，記者從北京大學(xué)獲悉，北京大學(xué)先進制造與機器人學(xué)院劉珂課題組與楊林課題組合作，從折紙藝術(shù)中獲得靈感，給出了一個意想不到的解決方案：通過雙穩(wěn)態(tài)折紙熱開關(guān)，成功實現(xiàn)了無需外部輸入的電子器件智能溫度控制，相關(guān)指標(biāo)刷新世界紀(jì)錄。

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劉珂介紹，這項名為“雙穩(wěn)態(tài)折紙熱開關(guān)”的研究，核心是一張會“變魔術(shù)”的折紙。研究團隊設(shè)計了一種特殊的折紙結(jié)構(gòu)，輕輕一按，結(jié)構(gòu)就會翻轉(zhuǎn)到另一個形態(tài)。這個看似簡單的動作，卻能精準(zhǔn)控制熱量流向：當(dāng)折紙?zhí)幱凇伴_”的形態(tài)時，它把發(fā)熱器件和散熱部件緊緊壓在一起，熱量順暢地流走，仿佛給設(shè)備打開了散熱窗；切換到“關(guān)”的形態(tài)時，它又把兩者輕輕分開，中間隔著一道真空般的縫隙，熱量幾乎無法傳遞，就像關(guān)上了窗戶把冷空氣擋在屋外。

“這種設(shè)計，效果驚人。”楊林說，在真空環(huán)境下的測試中，“關(guān)”狀態(tài)下的界面溫差高達41.87攝氏度，導(dǎo)熱能力被壓縮到極低；而“開”狀態(tài)下的溫差僅0.19攝氏度，導(dǎo)熱能力飆升到前者的近一萬四千倍。“開關(guān)比”指標(biāo)達到13984，刷新了被動式熱開關(guān)的世界紀(jì)錄。更難得的是，即便在空氣對流環(huán)境中，“開關(guān)比”依然能保持1360，這意味著它不挑環(huán)境，從實驗室到現(xiàn)實場景都能穩(wěn)定工作。

研究團隊給這個折紙結(jié)構(gòu)配上了一位“溫度管家”——由鎳鈦形狀記憶合金和彈性扭簧組成的“熱致驅(qū)動器”。這種組合“記性好”，溫度升高到設(shè)定值時，它會自動變形，推動折紙結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)；溫度降下來后，它又恢復(fù)原狀，把折紙拉回來。通過一個機械調(diào)節(jié)器，還能精確設(shè)定觸發(fā)溫度。整個過程無需任何外部電源和傳感器電路，完全靠溫度自己說了算。

劉珂表示，速度快也是這項技術(shù)的一大亮點——純結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)不到0.09秒，配合驅(qū)動優(yōu)化后，來回切換都可在0.2秒內(nèi)完成。研究團隊已在電池、功率放大器、藍牙芯片、LED燈等多種設(shè)備上完成了驗證，這些器件在運行中能根據(jù)自身溫度自動開關(guān)，把溫度牢牢控制在理想?yún)^(qū)間內(nèi)。

“這項研究的價值不止于散熱。雙穩(wěn)態(tài)折紙結(jié)構(gòu)的特性，讓它天然具備‘記憶’能力——不需要持續(xù)供電就能記住自己處在什么狀態(tài)——這種特性為熱邏輯電路等新型熱計算架構(gòu)提供了可能，未來的計算機或許不僅能用電做運算，還能用熱量傳遞信息。同時，這種幾何結(jié)構(gòu)主導(dǎo)的設(shè)計具有良好的可縮放性，我們正在將其從厘米級縮小到芯片級，為未來面向芯片級集成的像素化、可編程熱管理提供了新思路與方法?！眲㈢嬲f。