科学家制造出世界上最小的冰箱

你如何保持世界上最小的苏打水冷藏?加州大学洛杉矶分校的科学家可能有答案。由加州大学洛杉矶分校物理学教授克里斯·里根 (Chris Regan) 领导的团队成功制造出厚度仅为 100 纳米(大约一米的十分之一)的热电冷却器，并开发了一种创新的新技术来测量其冷却性能。

“我们制造了世界上最小的冰箱，”最近发表在ACS Nano杂志上的研究论文的主要作者里根说。

需要明确的是，这些微型设备不是日常意义上的冰箱——没有门或保鲜抽屉。但在更大的范围内，同样的技术被用于冷却计算机和其他电子设备，调节光纤网络的温度，并减少高端望远镜和数码相机中的图像“噪声”。

什么是热电装置，它们是如何工作的?

通过将两种不同的半导体夹在金属板之间制成，这些设备以两种方式工作。加热时，一侧变热，另一侧保持凉爽;该温差可用于发电。例如，宇航局航海者号航天器上的科学仪器已经使用热电装置产生的电力驱动了 40 年，这些热电装置包裹在产热钚周围。将来，类似的设备可能会用于帮助从汽车尾气中捕获热量，为空调供电。

但该过程也可以反向运行。当电流施加到设备上时，一侧变热，另一侧变冷，使其能够用作冷却器或冰箱。这项扩大规模的技术有一天可能会取代冰箱中的蒸汽压缩系统，并使您的现实生活中的苏打水保持冰冷。

一种标准的热电器件，由夹在金属化板之间的两种半导体材料制成。信用：维基共享资源

加州大学洛杉矶分校团队做了什么

为了制造他们的热电冷却器，Regan 的团队(包括六名加州大学洛杉矶分校的本科生)使用了两种标准半导体材料：碲化铋和碲化锑铋。他们将普通透明胶带粘在大块的传统散装材料上，将其剥离，然后从仍粘在胶带上的材料中收获薄薄的单晶薄片。从这些薄片中，他们制造了仅 100 纳米厚、总活性体积约为 1 立方微米、肉眼不可见的功能性器件。

从这个小体积的角度来看：你的指甲每秒增长数千立方微米。如果您的角质层制造这些微型冷却器而不是指甲，那么每个手指每秒将生产 5,000 多个设备。

“我们将世界上最小的热电冷却器的记录打破了一万多倍，”该论文的作者之一、Regan 研究小组的前本科生 Xin Yi Ling 说。

虽然热电装置因其体积小、没有移动部件和可靠性等优点而被用于小众应用，但与传统的基于压缩的系统相比，它们的低效率阻碍了该技术的广泛采用。简而言之，在更大的范围内，热电设备还不能产生足够的电力，或者不能保持足够的低温——然而。

但是通过专注于纳米结构——至少一个维度在 1 到 100 纳米范围内的设备——Regan 和他的团队希望发现合成性能更好的大块材料的新方法。高性能热电冷却器中材料的抢手特性是良好的导电性和较差的导热性，但这些特性几乎总是相互排斥的。然而，在像 Regan 的团队创造的那些近乎二维的结构中，可能会发现一个成功的组合。

该团队的纳米级“冰箱”的另一个显着特点是它几乎可以立即做出反应。

“它的小尺寸使它比体积为一毫米立方的冰箱快数百万倍，而且这已经比你厨房里的冰箱快数百万倍，”里根说。

“一旦我们了解了热电冷却器在原子和近原子水平上的工作原理，”他说，“我们可以扩大到宏观尺度，在那里获得巨大的回报。”

在如此微小的设备中测量温度是一项挑战。光学温度计在如此小的尺度下分辨率很差，而扫描探针技术需要专门的、昂贵的设备。这两种方法都需要艰苦的校准。

2015 年，Regan 的研究小组开发了一种称为 PEET 或等离子体能量膨胀测温法的测温技术，该技术使用透射电子显微镜通过测量密度变化来确定纳米级的温度。

为了测量他们的热电冷却器的温度，研究人员在每一个上沉积了由元素铟制成的纳米粒子，并选择了一个特定的粒子作为他们的温度计。随着团队改变施加到冷却器的功率量，设备加热和冷却，铟相应地膨胀和收缩。通过测量铟的密度，研究人员能够确定纳米颗粒的精确温度，从而确定冷却器。

“PEET 具有在几纳米尺度上绘制热梯度的空间分辨率——这是纳米结构热电材料几乎未开发的领域，”加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员 Regan 说。

为了补充 PEET 测量，研究人员发明了一种称为冷凝温度测定法的技术。基本思想很简单：当正常空气冷却到某个温度(露点)时，空气中的水蒸气凝结成液滴，无论是露水还是雨滴。该团队通过为他们的设备供电，同时用光学显微镜观察它来利用这种效应。当设备达到露点时，其表面立即形成微小的露珠。

Regan 赞扬了他的学生研究人员在帮助开发和测量纳米级设备的性能方面所做的工作。

“将先进的材料科学和电子显微镜与日常领域的物理学联系起来，例如制冷和露水的形成，可以帮助学生快速解决问题，”里根说。“看着他们学习和创新，让我对热电的未来充满希望。”

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