科大团队研发可持续及可控界面传热策略　提升绿色制冷技术应用效能

香港科技大学（科大）工学院的研究团队成功研发了一种可持续及可控的界面热传递策略，有助提升绿色制冷技术於电子设备丶太阳能电池板和建筑物等应用中的效能。

面对气候暖化，全球对制冷技术的需求有增无减，世界各地的科学家一直积极钻研更有效的节能冷却技术。与需要消耗能量才能运作的「主动冷却」系统相比，「被动冷却」依靠自然过程和建筑设计方式来散热，在不耗能或低耗能的情形下保持舒适的室内温度。这种环保节能的方式对於实现碳中和目标意义重大，因此引起了研究人员的广泛兴趣。

其中一个新兴研究领域是使用金属有机框架材料进行被动冷却。金属有机框架是一种多孔材料，可以吸收空气中的水气，用於提升室内空间冷却应用的能源效率。然而，这些材料中的多孔晶体通常具有较低的热导率，限制了它的传热效率。此外，在被动制冷应用中，这些材料通过吸附水进行制冷，其吸附的水分子进一步降低了其有效热导率。这种限制令金属有机框架材料难以透过改变其本徵热物性以提高其冷却性能。

为了应对这些困难，全球各地的研究人员将注意力转向调控多孔晶体与其接触材料之间的界面热传递。他们利用加工纳米结构丶表面化学修饰和生长自组装单分子层等多种界面工程方法，以有效增强界面热导。然而，合成或制备具有精确原子控制的界面层是一项艰巨的任务，限制了这些方法的潜在应用。

针对这个难题，由科大机械及航空航天工程学系周艳光教授带领的研究团队，研发了一种可持续且可控的策略，利用金属有机框架材料中的水吸附来调控接触材料与典型多孔晶体之间的界面热传递。通过频域热反射测量和分子动力学模拟，他们发现接触材料与多孔晶体之间的界面热导由於水分子的吸附，从 5.3 MW/m²K 提升至 37.5 MW/m²K，升幅约 7.1 倍。同时，他们从其他接触材料与多孔晶体系统中也观察到有效的增强效果。

研究团队将这个升幅归因於利用多孔晶体中吸附水分子形成的密集水通道，这些通道作为额外的热传递路径，显着增强了界面间的热能传输。此外，他们通过使用自主研发的频域直接分解方法进行进一步分析，发现水的存在不仅激发了高频声子振动模式的热传输，其桥梁作用还令接触材料与多孔晶体的振动态密度大幅重叠，进而增强两者间的热量传输。

周教授表示：「这项创新研究不仅为多孔晶体和其他固体材料的界面热传递提供了新的见解，而且对优化基於多孔晶体的冷却应用的性能具有重要意义。透过利用水吸附过程，我们的团队在控制界面传热方面取得了突破，为未来发展更高效的冷却技术铺路。」

这项研究最近在全球顶尖的多元学科期刊《自然－通讯》上发表，标题为「Direct Observation of Tunable Thermal Conductance at Solid/Porous Cystalline Solid Interfaces Induced by Water Adsorbates」。团队的其他成员包括周教授的博士生王广丶樊弘昭丶李佳旺，以及科大机械及航空航天工程学系副系主任李志刚教授。

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（原文於2024年5月28日在EurekAlert刊登。）