宋柏：当我们谈论热，我们在谈论什么？( 二 ) 越来越多的人因为越野马拉松

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宋柏说，他想坚持做实验台前、学生身边的老师。
超低热导率材料被用来隔绝热、保留热；与此相反，超高热导率则提供了快速传热和散热的能力。想想你一玩游戏就变烫的手机，不难感受到人们对超高热导率材料的厚望：在“算力革命”中，芯片散热成了最基础的诉求。
2018年和2020年，宋柏与合作者先后两次发表了有关半导体砷化硼和立方氮化硼晶体作为超级导热材料的最新发现。通过硼同位素富集，立方氮化硼的热导率提高了90% ，创下了非碳材料热导率的新纪录。“同位素富集为什么能大幅提升导热能力？从微观尺度来看，在非金属材料中，热量是由一种叫作‘声子’的准粒子携带并传输的。举个不太恰当的例子，声子在晶体中的运动就好像咱们跑步，在平路上跑就比颠簸的路更快一些，同位素富集可以让声子前进的道路变得更加平坦。”
“钻石太贵了，集成也困难，大规模地用于芯片散热很有挑战；砷化硼和氮化硼则提供了新的可能，而且它们本身还有很好的电学和光学性质，以后有希望直接拿来制作电子和光电器件，这样散热从一开始就不成问题。”不过，宋柏也坦言，做好芯片散热，仅有新材料还不够， “芯片是一层一层的，即使有了散热薄膜，也还要考虑层与层之间的界面导热。另外，为了把热量最终从芯片带到环境，封装对散热影响很大，以嵌入式流体冷却为目标的多物理场协同设计，对于未来芯片至关重要。”
芯片散热是如此复杂的问题，根本原因就在于：芯片越做越精密了。
腾挪于原子之间
7纳米、5纳米、3纳米……芯片的特征尺寸不断压缩，正体现了人类在极小尺度操控物质的能力不断进化。在几十个原子大小的空间腾挪，热科学也呈现出前所未有的面貌。
比如宋柏一直在关注和研究的近场热辐射。“室温下物体的间距小于10微米，就要考虑近场效应，现在的微纳器件，已经有很多必须考虑这种情况。”
“热辐射的本质是电磁波，它可以分成两种，一种叫传播波，顾名思义可以走得比较远，物体通常靠它来辐射热量；另外一种叫倏逝波，它一离开物体表面很快就衰减掉了。现在我们发现，一旦两个物体距离足够近，倏逝波就会成为热量输运的‘主力’ 。两个冷热不同的物体，间距如果只有1纳米，单位时间内传递的热量，甚至可以达到远距离辐射的百万倍，这是非常夸张的，倏逝波的影响实在太大了。”宋柏这样解释， “微纳器件一定会越来越重要，近场热辐射也因此成为了非常基础，必须系统搞清楚的问题。我们最近几年结合理论分析、数值模拟与精密实验，在基本规律的探索方面取得了一些成果，但是未知更多，争议也还有，未来任重道远。”

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宋柏在办公室。理论分析、数值模拟与精密实验“携手” ，是研究近场热辐射的“三驾马车” 。
近场热辐射的应用潜力令人期待，比如智能热控、固态制冷，以及高能效、大功率密度的纳米热光伏技术——让特制的光伏器件在纳米尺度上靠近高温热源，用热来发电。“根据理论计算，利用近场频谱窄、热流大的特征，有望达到50%的热电转换效率和一千个太阳的功率密度。作为一种固态技术，纳米热光伏无振动、无噪声、高可靠性和模块化等特点很有吸引力。它有很多应用场景，比如分布式热电联产、余热利用和深空探索等；未来的零碳交通说不定也可以用纳米热光伏来驱动，所需热能由氢气燃烧来提供，系统的体积和重量都会比较小。”宋柏笑着说， “当然，实现难度巨大。”