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我们在刷手机或者用电脑时经常会遇到一个问题——过热。电子设备过热除了烫手之外，还可能产生很多问题，比如屏幕过热可能触发误触或触控失灵、Wi-Fi、蓝牙或蜂窝网络连接变差。极端情况下还可能起火或爆炸。不过，最近科学家发现一种新材料，或许可以让电子设备过热这件事成为历史。

今天我们来聊聊可以让电子设备“毫秒变凉”的新材料——六方氮化硼（hexagonal boron nitride，简称 hBN）。这项新技术和传统散热相比强在哪？为什么六方氮化硼有这么强悍的散热能力？

在回答这些问题之前，我们得了解电子设备为什么会过热？

这个问题相信各位“手机党”深有感触：玩游戏的时候很容易过热。

没错，CPU或GPU高负荷运算时，会导致芯片功耗激增。而电子元件工作时，电能无法100%转化为有用功，剩余能量会热能形式释放。5G网络、Wi-Fi热点持续传输时射频芯片也会发热。

这都是电子设备发热的主要来源。不过电子设备之所以会过热，是因为电子元件工作产生的剩余热量不能及时、有效地排出。换句话说，理论上，只要能迅速、有效地散发热量，电子设备永远不会出现过热的问题。但传统散热方式难以完全满足高功率器件的需求。

因为传统材料散热的底层机制把热量的散失速度给框住了。

从导热机制来说，传统散热材料，不管是笔记本里的散热铜片，手机里贴的石墨以及芯片上涂的导热硅胶都属于同一类材料。它们都是通过晶格振动传递热量。

晶格振动是指固体晶体中原子或分子围绕其平衡位置的周期性振动，是热量传递的主要机制之一。

在晶体中，原子排列成规则的晶格结构，当受热或外界激励时，原子会偏离平衡位置振动，产生能量传播。这种振动以量子化的形式存在，称为声子（phonons）。晶格振动通过声子传递热量，是传统散热材料导热的基础，但传递效率受声子散射和界面声子失配的限制。

声子散射说的是声子在晶体中传播时可能会“撞上”各种障碍，导致其方向、能量、相位发生变化。这会降低热量传递效率，相当于“热流受阻”。

界面声子失配说的是当热量从一种材料传到另一种材料（如芯片和散热器之间）时，若两种材料的声子谱差异较大，会导致振动模式不匹配，从而降低跨界面的能量传递效率。

但六方氮化硼可以规避这两个限制。

2025年3月17日，美国加州大学洛杉矶分校的研究团队在《自然材料》杂志发表了一篇论文（画面信息：《通过六方氮化硼中的双曲声子极化子模式实现固体界面的超快近场热传输》（Ultrafast evanescent heat transfer across solid interfaces via hyperbolic phonon–polariton modes in hexagonal boron nitride）），探讨了利用六方氮化硼的双曲声子极化子模式（HPhP）来增强固体界面热传递的新方法。

六方氮化硼是一种由硼（B）和氮（N）原子组成的无机化合物。它的晶体结构类似于石墨，因此有时也被称为“白色石墨”。六方氮化硼是自然界少有的、天然超各向异性材料。

什么是各向异性呢？

在三维空间中，任何材料都可以用一个立体结构来表示。你可以想象它是一个“立方体”或“晶体块”。各向异性指的是你从不同空间轴（X、Y、Z）上作用材料时，它会表现出不一样的性能（如导热、电导、折射率等）。就好像顺着木纹锯木头很容易，横着木纹锯就很难。这就是木头在不同方向上表现出的“机械强度”不同。

拿我们熟悉的石墨来说。石墨实际上是由一层一层“碳原子蜂窝网”叠起来的。每层“蜂窝网”碳原子通过超强的共价键，紧紧连在一起。所以，在“蜂窝网”这个平面上，热量跑得更快。前面我们说过，热量在固体中主要靠声子传递。声子是原子振动的“波”。层内的共价键像“钢筋”把原子牢牢锁住，原子振动（声子）就能快速从一个原子传到下一个。

而石墨层间，也就是一层层“碳原子蜂窝网”之间却没有超强的共价键，而是要弱很多的范德华力。这样的结果就是，石墨很软，轻轻一擦就掉一层。热量很难在层间传递。

所以说，手机里用的石墨散热片实际的作用是，把热量横向分摊，降低局部高温。而不是将热量垂直散发出来。 在层内方向，石墨的热导率可高达2000 瓦每米每开尔文（W/m·K），电导率约10⁴ S/m；而层间方向，热导率仅为6-10瓦每米每开尔文，电导率约10² S/m。这种方向性差异可达几个数量级，使石墨成为自然界中最典型的各向异性材料之一。

六方氮化硼在某些物理性质上（尤其是光学、电学和热学性质）在不同方向上的极端差异。这种差异远远超过一般材料的各向异性，因此称为“超各向异性”（hyper-anisotropy）。

比如六方氮化硼在面内方向（X-Y）的热导率约 400瓦每米每开尔文，而垂直方向（Z）热导率仅约 2 瓦每米每开尔文。

更关键的是，六方氮化硼在中红外波段（~6–13 μm）表现出独特的介电常数特性：面内（x-y）方向的介电常数是正的，而面外方向（z）的介电常数是负的，形成双曲色散。这使六方氮化硼能在界面附近支持双曲声子极化子以近场电磁波形式高效传播，显著提升热传递效率。

通俗来说就是，六方氮化硼的结构像“层层叠叠的薄饼”，在不同方向上，六方氮化硼的热导率等物理性质差别很大。在中红外光下，六方氮化硼的内部可以让光和晶体里的晶格振动以一种独特的方式“联手”，形成一种叫“双曲声子极化子”的现象。这种‘联手’通过近场辐射（<100 nm）传递热量，类似于表面等离激元中的电磁波传播方式，能够在界面间快速传输热能。。

双曲声子极化子是光和热振动“合体”的粒子，可以像近场电磁波一样，在材料表面快速穿行，而且几乎不被散射。

此外，双曲声子极化子是电磁驱动，能“跨界”传输能量。换句话说，它不需要传统意义上声子模式完美匹配，可以显著降低界面热阻。

为了研究六方氮化硼在固体界面（如金-六方氮化硼）的超快热传递机制，研究人员使用了泵浦-探针热反射技术，通过短脉冲激光（泵浦）加热样品，另一束激光（探针）测量反射率随时间变化，推导热传递动态。

这个实验方法就像是像用“超高速相机”拍摄热量如何从金“飞”到六方氮化硼。泵浦光像“点火器”，加热金产生热电子；探针光像“探照灯”，专门照亮六方氮化硼的双曲声子极化子，记录热量跑多快、传多远。

通过实验，研究人员发现，金-六方氮化硼界面（两种材料接触面）的热边界导热率达100 兆瓦每平方米每开尔文（MW m⁻² K⁻¹）。而传统声子传导（如金-硅、金-氧化铝）的热边界导热率为1-10兆瓦每平方米每开尔文（ MW m⁻² K⁻¹）。双曲声子极化子模式效率高了10-100倍。根据推算，在双曲声子极化子模式下，金-六方氮化硼的界面热流传递时间约0.01-0.1毫秒，传统声子传导需1-10毫秒。

六方氮化硼的这种特性可以为高功率电子和光子器件（如5G芯片、量子器件）提供了革命性散热方案。

不过目前实验只聚焦在金-六方氮化硼界面，实验结果可能不适用于其他界面（如六方氮化硼-硅、六方氮化硼-石墨烯）。不同材料的声子谱和电磁耦合特性可能降低双曲声子极化子效率。

此外，实验没有明确六方氮化硼厚度，双曲声子极化子模式在不同厚度下的性能需进一步研究。

总的来说，这项研究展示了六方氮化硼在突破传统散热极限方面的巨大潜力。通过激发双曲声子极化子模式，它能实现前所未有的界面热传导效率，有望彻底改变我们设计和管理高性能电子器件热量的方式。虽然目前仍处于实验验证阶段，尚有诸如材料界面适配、厚度控制等挑战待解，但这项技术为构建更安全、更稳定、更高效的未来电子设备打开了一扇新窗。或许在不远的将来，我们再也不用为手机发烫、电脑过热而烦恼了——因为热，还没来得及积累，就已经被“光速”带走了。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：邢焕秋 科普作者

审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室 高级工程师

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划

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