理化所液態(tài)金屬基礎(chǔ)流體現(xiàn)象與先進(jìn)芯片冷卻研究獲進(jìn)展

　　近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點實驗室發(fā)現(xiàn)系列有重要科學(xué)意義的液態(tài)金屬基礎(chǔ)流體效應(yīng)和現(xiàn)象，并在幾類新型芯片冷卻與熱能捕獲技術(shù)研究中取得關(guān)鍵進(jìn)展。相應(yīng)研究揭示了液態(tài)金屬豐富的物理學(xué)圖景和應(yīng)用價值。

　　在發(fā)表于Applied Physics Letters 上的題為Liquid metal patterns induced by electric capillary force（108: 161602，2016）的論文中，研究小組首次發(fā)現(xiàn)了一類有趣的液態(tài)金屬褶皺波效應(yīng)（圖1）：浸沒于環(huán)狀石墨電極之間電解液中的液態(tài)金屬，可在電磁場誘發(fā)下形成各式各樣對稱的褶皺波圖案。其機理在于，外加電場改變了液態(tài)金屬表面的電荷分布，繼而形成表面張力梯度差，由此導(dǎo)致的電毛細(xì)力會使得液態(tài)金屬發(fā)生對稱形變。結(jié)合石墨電極與永磁體作用，液態(tài)金屬可因洛倫茲力發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由此形成更為豐富的褶皺圖案。這一發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了經(jīng)典流體波效應(yīng)的既有研究范疇。

　　在Advanced Materials Interfaces 上發(fā)表的題為The rebound motion of liquid metal droplet on flexible micro/nano needle forest（1600008，2016）的論文中，研究小組報道了液態(tài)金屬液滴在由柔性微/納米尺度針狀叢林構(gòu)成的表面上的撞擊、接觸、反彈、擴(kuò)展或收縮行為，發(fā)現(xiàn)在特定針尖長徑比情況下，金屬液滴可發(fā)生無任何黏附性的全反彈現(xiàn)象。該項研究為今后采用微/納尺度結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液態(tài)金屬的高效輸運或黏附提供了新思路。

　　在Science China Technological Sciences 發(fā)表的研究Alternating electric field actuated oscillating behavior of liquid metal and its application（59: 597-603, 2016; 封面文章）中，作者揭示了處于電解質(zhì)溶液中的金屬液滴在交變電場作用下的往復(fù)運動規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn)，在特定電場頻率下，液滴自身運動會出現(xiàn)強烈共振現(xiàn)象；同時，在交變電場作用下，電解質(zhì)溶液的電解以及由此產(chǎn)生的氫氣得以有效抑制。此種液態(tài)金屬泵更能滿足實際需要，且結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，在電解質(zhì)溶液乃至血液泵送、芯片冷卻、流體混合等場合有重要用途。

　　在Science China Technological Sciences 上的研究論文Electrically driven chip cooling device using hybrid coolants of liquid metal and aqueous solution（59: 301, 2015, 封面文章）中，作者展示了一種全新原理的雙流體芯片散熱器，其同時集液態(tài)金屬高導(dǎo)熱性與水溶液高熱容性優(yōu)勢于一體，只需極低電壓即可驅(qū)動液態(tài)金屬及周邊水溶液循環(huán)往復(fù)地流動，由此將發(fā)熱對象表面熱量由近及遠(yuǎn)輸送出去，功耗極低。比如，該器件在3W/cm2熱流密度下可有效維持熱源溫度低于55℃，驅(qū)動功率僅需0.8W。這種純電控驅(qū)動的流體冷卻器無需外部機械泵甚至磁體，即實現(xiàn)了雙重流體的同時高效泵送，結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊，可在筆記本電腦、手機、LED、激光等光電器件冷卻乃至更多能量轉(zhuǎn)換與利用場合發(fā)揮作用。

　　進(jìn)一步地，通過特殊的雙流體設(shè)計，還可實現(xiàn)小溫差驅(qū)動下的芯片自動冷卻與能量捕獲。在發(fā)表于Applied Physics Letters 上的題為A volatile fluid assisted thermo-pneumatic liquid metal energy harvester（108: 023903，2016）的研究論文中，作者證實，對于封裝于循環(huán)通道內(nèi)的液態(tài)金屬與低沸點工質(zhì)如異戊烷進(jìn)行加熱，可克服重力實現(xiàn)復(fù)合流體的閉式循環(huán)往復(fù)運動，這種自驅(qū)動甚至可在10℃左右的小溫差下運行。相應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，有很高自適應(yīng)能力。該技術(shù)在太陽能、低品位熱量捕獲以及高熱流密度芯片冷卻領(lǐng)域有重要用途。

　　以上研究部分得到中國科學(xué)院院長基金資助。