科大團隊研發可持續及可控界面傳熱策略　提升綠色製冷技術應用效能

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊成功研發了一種可持續及可控的界面熱傳遞策略，有助提升綠色製冷技術於電子設備、太陽能電池板和建築物等應用中的效能。

面對氣候暖化，全球對製冷技術的需求有增無減，世界各地的科學家一直積極鑽研更有效的節能冷卻技術。與需要消耗能量才能運作的「主動冷卻」系統相比，「被動冷卻」依靠自然過程和建築設計方式來散熱，在不耗能或低耗能的情形下保持舒適的室內溫度。這種環保節能的方式對於實現碳中和目標意義重大，因此引起了研究人員的廣泛興趣。

其中一個新興研究領域是使用金屬有機框架材料進行被動冷卻。金屬有機框架是一種多孔材料，可以吸收空氣中的水氣，用於提升室內空間冷卻應用的能源效率。然而，這些材料中的多孔晶體通常具有較低的熱導率，限制了它的傳熱效率。此外，在被動製冷應用中，這些材料通過吸附水進行製冷，其吸附的水分子進一步降低了其有效熱導率。這種限制令金屬有機框架材料難以透過改變其本徵熱物性以提高其冷卻性能。

為了應對這些困難，全球各地的研究人員將注意力轉向調控多孔晶體與其接觸材料之間的界面熱傳遞。他們利用加工納米結構、表面化學修飾和生長自組裝單分子層等多種界面工程方法，以有效增強界面熱導。然而，合成或製備具有精確原子控制的界面層是一項艱巨的任務，限制了這些方法的潛在應用。

針對這個難題，由科大機械及航空航天工程學系周艷光教授帶領的研究團隊，研發了一種可持續且可控的策略，利用金屬有機框架材料中的水吸附來調控接觸材料與典型多孔晶體之間的界面熱傳遞。通過頻域熱反射測量和分子動力學模擬，他們發現接觸材料與多孔晶體之間的界面熱導由於水分子的吸附，從 5.3 MW/m2K 提升至 37.5 MW/m2K，升幅約 7.1 倍。同時，他們從其他接觸材料與多孔晶體系統中也觀察到有效的增強效果。

研究團隊將這個升幅歸因於利用多孔晶體中吸附水分子形成的密集水通道，這些通道作為額外的熱傳遞路徑，顯著增強了界面間的熱能傳輸。此外，他們通過使用自主研發的頻域直接分解方法進行進一步分析，發現水的存在不僅激發了高頻聲子振動模式的熱傳輸，其橋梁作用還令接觸材料與多孔晶體的振動態密度大幅重疊，進而增強兩者間的熱量傳輸。

周教授表示：「這項創新研究不僅為多孔晶體和其他固體材料的界面熱傳遞提供了新的見解，而且對優化基於多孔晶體的冷卻應用的性能具有重要意義。透過利用水吸附過程，我們的團隊在控制界面傳熱方面取得了突破，為未來發展更高效的冷卻技術鋪路。」

這項研究最近在全球頂尖的多元學科期刊《自然－通訊》上發表，標題為「Direct Observation of Tunable Thermal Conductance at Solid/Porous Cystalline Solid Interfaces Induced by Water Adsorbates」。團隊的其他成員包括周教授的博士生王廣、樊弘昭、李佳旺，以及科大機械及航空航天工程學系副系主任李志剛教授。

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（原文於2024年5月28日在EurekAlert刊登。）