「審稿人認為對於被動式熱管理技術來說，我們的成果是一項具有革命性的技術，能極大地推動被動式熱管理技術的市場化應用。
論文發布後不久，我受邀參加第四屆熱管理材料與技術大會，針對這項技術做了專題報告。會上得到了各大專家和參展商的關注，並與一些企業進行了商業洽談。」香港城市大學教授吳偉表示。
圖 | 吳偉（來源：吳偉）
這項新技術便是前不久他和華中科技大學團隊聯合研發的被動式散熱器，其具有高冷卻性能和低成本的特點。
通過一系列的實驗測試，他們證明該散熱器具有優異的熱管理能力。在實際測試中，課題組將該散熱器應用到實際計算設備中，結果發現計算設備的性能提升了三分之一。
相關論文評審專家認為：「作者提出的膜式鹽水散熱器具有優異的製冷能力，同時具有非常低的成本。這項技術成功地解決了被動式熱管理技術『卡脖子』的難題。」
預計該項技術具有廣闊的市場前景。對於一些需要間歇性熱調節的設備，比如投影儀、無人機、智能家居、發光二極體、電池、太陽能板、建築等領域，都可以應用這項技術對其進行熱管理。
（來源：Device）
電子時代，發熱與散熱無處不在
現如今，我們的日常生活已經離不開電子設備。電子設備在工作過程中會產生熱量，這是一個司空見慣的現象。
比如我們在用手機玩遊戲時，有的時候會感覺手機燙手，緊接著畫面就會出現掉幀/卡頓現象，此時我們需要藉助外力來冷卻我們的手機。
那麼，電子設備為什麼需要散熱？假如把計算機比作一個人，作為最重要元器件的中央處理器（CPU，Central Processing Unit），就像是人體的大腦。
當我們的大腦溫度過高時，會影響日常生活和工作效率，嚴重時還會帶來生命危險。對於計算機的 CPU，當其溫度過高時，電子設備的工作性能會大幅度衰減，嚴重時會導致電子設備損壞，引發安全問題。
統計數據表明，當晶片的工作溫度靠近 70-80°C 時，溫度每升高 2°C，晶片的性能會降低約 10%。因此，我們需要採用有效的熱管理手段將晶片的溫度控制在合理的範圍。
另一方面，社會的高速發展對晶片的性能提出了更高的要求，這也意味對晶片熱管理技術提出了更苛刻的要求。
目前，我們常見的晶片散熱方式可以分為主動式散熱和被動式散熱。
主動式散熱技術，比如電子設備中常見的風扇和水，需要藉助電力驅動，具有較強的冷卻性能。但是這種技術面臨著能耗大、高噪聲、體積大等缺點。例如當我們用電腦玩遊戲時，電腦散熱風扇因高速旋轉而產生隆隆噪聲。
相反，被動式熱管理技術具有零能耗、無複雜的控制系統、無噪聲、體積小等優點，能有效避免主動式熱管理技術所面臨的問題。比如我們常見的熱管加翅片的組合。
然而，目前的被動式熱管理技術由於材料本身的限制，普遍存在著冷卻效率低和成本偏高的問題，這使得被動式熱管理技術很難得到全面的商業化發展。
基於此，吳偉萌生了探索吸濕性鹽溶液，在被動式熱管理系統中的應用潛力的想法。
（來源：Device）
「見常人之所見，思常人之未思」
吳偉認為，大自然是人類最好的老師，我們應時常懷著一顆敬畏之心。此前，Science 發布了多篇有關輻射製冷的論文，這些論文的一個共同點在於，均受啟發於自然界中的沙漠銀蟻。
而在一些其他研究之中，同樣是受到自然界的啟發，研究人員基於哺乳動物排汗這一自然現象，提出了很多熱管理策略比如基於水凝膠的熱管理策略和基於金屬有機骨架化合物的熱管理策略等。
「所以，創新並不是『高大上』或者『遙不可及』的，而是，見常人之所見，思常人之未思。」他說。
而在本次研究中，吳偉的靈感也來源於哺乳動物通過排汗調節自身體溫這一自然現象。
吳偉表示：「我們課題組成員有著體育運動的習慣。大家經常在一起打籃球，劇烈的運動可以緩解來自科研壓力，放鬆我們的身心。在一個夏日炎炎的傍晚，課題組成員相約一起打籃球，經過激烈的角逐，各成員早已大汗淋漓。」
在如此劇烈的運動過程中，球員們深刻意識到補充水分的重要性。他們時不時地停下來，走到場邊，喝下涼爽的水，以保持體能和注意力的高度集中。然而，就是這個再尋常不過的補水過程，引發了吳偉的深層次的思考。
劇烈運動後，人會通過皮膚排汗來抑制體溫升高。體內水分不足時，則需要補充水分才能進行接下來的活動。
那麼，這一自然現象是否可以應用到電子晶片的熱管理過程中呢？設想一下：當晶片工作時，通過「排汗」抑制溫升；當晶片不工作時，補充水分用於接下來的循環。
而在此前，對於吸濕性鹽溶液的吸水和解吸性能，例如溴化鋰溶液和氯化鋰溶液，該課題組已經開展了大量研究。
結合先前的工作，吳偉等人用一張多孔膜來模擬人的皮膚，鹽溶液被膜包裹就像皮膚內的體液。
當晶片工作時，鹽溶液內的水分會蒸發，通過多孔膜擴散到周圍的空氣中，帶走熱量並抑制晶片的溫升；
當晶片不工作時，濃的鹽溶液通過多孔膜吸收周圍空氣中的水分，恢復其冷卻能力。
經過多次的討論，他們確定了該方案的研究計劃，也通過實驗驗證了該想法的可行性。
（來源：Device）
研究中，課題組先是針對兩種常用的吸濕性鹽溶液（溴化鋰溶液和氯化鋰溶液）進行了理論計算。
得益於計算機技術的飛速發展，其使用數值仿真軟體模擬了鹽溶液在不同工況下的傳熱傳質特性。這些模擬結果為順利開展實驗提供了重要指導。
由於該技術的應用場合具有特殊性，課題組進行了大量、重複的實驗測試。他們先後實驗測試了不同吸濕性鹽溶液的解吸冷卻能力、吸收重生能力、結晶性、可持續性等。
基於以上實驗，最終選擇溴化鋰溶液作為工作介質。確定工作介質之後，又將多孔膜引入到設備中，這種多孔膜具有阻液透氣的作用，可以防止工作介質泄露影響電子設備的安全運行。
同時，他們在散熱器內表面塗上一層薄薄的石墨烯塗層，以防止溶液與金屬發生腐蝕。實驗中，該團隊發現鹽溶液濃度、溶液層厚度，環境溫濕度、膜結構等參數，對裝置的熱管理性能都有較為明顯的影響。
隨後，他們對實驗結果加以總結，並結合數值仿真模型進一步優化了實驗方案。
最終，課題組成功設計出這種針式散熱器樣機。為了驗證該散熱器樣機在真實工作場景中的性能，他們將其裝配到一個真實的開發板上，用於取代原裝的翅片式散熱器，結果發現開發板的性能提升了 32.65%。
同時，他們也測試了該樣機在高熱通量工況下的熱管理能力，測試熱通量達到 75kW/m2。
此外，他們也討論了這項技術與主動式散熱技術相結合時的性能表現，為其應用到更高熱通量的場合提供數據支撐。
（來源：Device）
最終，相關論文以《基於膜封裝的蒸汽解吸式被動冷卻技術用於高性能、超低成本和長持續的電子元器件熱管理》（Membrane-encapsulated, moisture-desorptive passive cooling for high-performance, ultra-low-cost, and long-duration electronics thermal management）為題發在 Device[1]。
香港城市大學博士研究生隋增光是第一作者，華中科技大學教授楊榮貴和香港城市大學教授吳偉擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Device）
目前，該團隊在被動式熱管理技術上已經取得階段性的成果。為了使該技術能夠成功應用到不同的場合，他們將圍繞一下幾點進行研究。
其一，為了響應國家「碳中和」和「5G 與數據中心節能增效」等相關政策，課題組正在尋求更大的突破，以期進一步提高該技術的性能。
其二，為了證明該技術的在不同應用場景的適用性，後續實驗將側重於測試該技術在電池、發光二極體、太陽能板、智能家居等場合的性能。
其三，隨著人們對可攜式電子設備需求的增加，接下來的研究將會進一步優化技術方案，使其具有更小的體積和更高的熱管理能力。
「最後，我想談談我的科研感受。我們需要腳踏實地，一步一個腳印地前行。然而，我們也不能忘記仰望星空，保持對未知領域的好奇心和探索慾望。
星空中的繁星激勵著我們超越現有的邊界，追求更深刻的認識和突破。在科研旅途中，我們需要同時保持腳踏實地和仰望星空的態度，不斷積累、不斷追求，才能取得真正的成就。」吳偉表示。
參考資料：
1.Sui, Z., Sui, Y., Ding, Z., Lin, H., Li, F., Yang, R., & Wu, W. (2023). Membrane-encapsulated, moisture-desorptive passive cooling for high-performance, ultra-low-cost, and long-duration electronics thermal management. Device.