科学家研制盐水散热器，解决被动式热管理技术卡脖子难题
“审稿人认为对于被动式热管理技术来说，我们的成果是一项具有革命性的技术，能极大地推动被动式热管理技术的市场化应用。
论文发布后不久，我受邀参加第四届热管理材料与技术大会，针对这项技术做了专题报告。会上得到了各大专家和参展商的关注，并与一些企业进行了商业洽谈。”香港城市大学教授吴伟表示。
图 | 吴伟（来源：吴伟）
这项新技术便是前不久他和华中科技大学团队联合研发的被动式散热器，其具有高冷却性能和低成本的特点。
通过一系列的实验测试，他们证明该散热器具有优异的热管理能力。在实际测试中，课题组将该散热器应用到实际计算设备中，结果发现计算设备的性能提升了三分之一。
相关论文评审专家认为：“作者提出的膜式盐水散热器具有优异的制冷能力，同时具有非常低的成本。这项技术成功地解决了被动式热管理技术‘卡脖子’的难题。”
预计该项技术具有广阔的市场前景。对于一些需要间歇性热调节的设备，比如投影仪、无人机、智能家居、发光二极管、电池、太阳能板、建筑等领域，都可以应用这项技术对其进行热管理。
（来源：Device）
电子时代，发热与散热无处不在
现如今，我们的日常生活已经离不开电子设备。电子设备在工作过程中会产生热量，这是一个司空见惯的现象。
比如我们在用手机玩游戏时，有的时候会感觉手机烫手，紧接着画面就会出现掉帧/卡顿现象，此时我们需要借助外力来冷却我们的手机。
那么，电子设备为什么需要散热？假如把计算机比作一个人，作为最重要元器件的中央处理器（CPU，Central Processing Unit），就像是人体的大脑。
当我们的大脑温度过高时，会影响日常生活和工作效率，严重时还会带来生命危险。对于计算机的 CPU，当其温度过高时，电子设备的工作性能会大幅度衰减，严重时会导致电子设备损坏，引发安全问题。
统计数据表明，当芯片的工作温度靠近 70-80°C 时，温度每升高 2°C，芯片的性能会降低约 10%。因此，我们需要采用有效的热管理手段将芯片的温度控制在合理的范围。
另一方面，社会的高速发展对芯片的性能提出了更高的要求，这也意味对芯片热管理技术提出了更苛刻的要求。
目前，我们常见的芯片散热方式可以分为主动式散热和被动式散热。
主动式散热技术，比如电子设备中常见的风扇和水，需要借助电力驱动，具有较强的冷却性能。但是这种技术面临着能耗大、高噪声、体积大等缺点。例如当我们用电脑玩游戏时，电脑散热风扇因高速旋转而产生隆隆噪声。
相反，被动式热管理技术具有零能耗、无复杂的控制系统、无噪声、体积小等优点，能有效避免主动式热管理技术所面临的问题。比如我们常见的热管加翅片的组合。
然而，目前的被动式热管理技术由于材料本身的限制，普遍存在着冷却效率低和成本偏高的问题，这使得被动式热管理技术很难得到全面的商业化发展。
基于此，吴伟萌生了探索吸湿性盐溶液，在被动式热管理系统中的应用潜力的想法。
（来源：Device）
“见常人之所见，思常人之未思”
吴伟认为，大自然是人类最好的老师，我们应时常怀着一颗敬畏之心。此前，Science 发布了多篇有关辐射制冷的论文，这些论文的一个共同点在于，均受启发于自然界中的沙漠银蚁。
而在一些其他研究之中，同样是受到自然界的启发，研究人员基于哺乳动物排汗这一自然现象，提出了很多热管理策略比如基于水凝胶的热管理策略和基于金属有机骨架化合物的热管理策略等。
“所以，创新并不是‘高大上’或者‘遥不可及’的，而是，见常人之所见，思常人之未思。”他说。
而在本次研究中，吴伟的灵感也来源于哺乳动物通过排汗调节自身体温这一自然现象。
吴伟表示：“我们课题组成员有着体育运动的习惯。大家经常在一起打篮球，剧烈的运动可以缓解来自科研压力，放松我们的身心。在一个夏日炎炎的傍晚，课题组成员相约一起打篮球，经过激烈的角逐，各成员早已大汗淋漓。”
在如此剧烈的运动过程中，球员们深刻意识到补充水分的重要性。他们时不时地停下来，走到场边，喝下凉爽的水，以保持体能和注意力的高度集中。然而，就是这个再寻常不过的补水过程，引发了吴伟的深层次的思考。
剧烈运动后，人会通过皮肤排汗来抑制体温升高。体内水分不足时，则需要补充水分才能进行接下来的活动。
那么，这一自然现象是否可以应用到电子芯片的热管理过程中呢？设想一下：当芯片工作时，通过“排汗”抑制温升；当芯片不工作时，补充水分用于接下来的循环。
而在此前，对于吸湿性盐溶液的吸水和解吸性能，例如溴化锂溶液和氯化锂溶液，该课题组已经开展了大量研究。
结合先前的工作，吴伟等人用一张多孔膜来模拟人的皮肤，盐溶液被膜包裹就像皮肤内的体液。
当芯片工作时，盐溶液内的水分会蒸发，通过多孔膜扩散到周围的空气中，带走热量并抑制芯片的温升；
当芯片不工作时，浓的盐溶液通过多孔膜吸收周围空气中的水分，恢复其冷却能力。
经过多次的讨论，他们确定了该方案的研究计划，也通过实验验证了该想法的可行性。
（来源：Device）
研究中，课题组先是针对两种常用的吸湿性盐溶液（溴化锂溶液和氯化锂溶液）进行了理论计算。
得益于计算机技术的飞速发展，其使用数值仿真软件模拟了盐溶液在不同工况下的传热传质特性。这些模拟结果为顺利开展实验提供了重要指导。
由于该技术的应用场合具有特殊性，课题组进行了大量、重复的实验测试。他们先后实验测试了不同吸湿性盐溶液的解吸冷却能力、吸收重生能力、结晶性、可持续性等。
基于以上实验，最终选择溴化锂溶液作为工作介质。确定工作介质之后，又将多孔膜引入到设备中，这种多孔膜具有阻液透气的作用，可以防止工作介质泄露影响电子设备的安全运行。
同时，他们在散热器内表面涂上一层薄薄的石墨烯涂层，以防止溶液与金属发生腐蚀。实验中，该团队发现盐溶液浓度、溶液层厚度，环境温湿度、膜结构等参数，对装置的热管理性能都有较为明显的影响。
随后，他们对实验结果加以总结，并结合数值仿真模型进一步优化了实验方案。
最终，课题组成功设计出这种针式散热器样机。为了验证该散热器样机在真实工作场景中的性能，他们将其装配到一个真实的开发板上，用于取代原装的翅片式散热器，结果发现开发板的性能提升了 32.65%。
同时，他们也测试了该样机在高热通量工况下的热管理能力，测试热通量达到 75kW/m2。
此外，他们也讨论了这项技术与主动式散热技术相结合时的性能表现，为其应用到更高热通量的场合提供数据支撑。
（来源：Device）
最终，相关论文以《基于膜封装的蒸汽解吸式被动冷却技术用于高性能、超低成本和长持续的电子元器件热管理》（Membrane-encapsulated, moisture-desorptive passive cooling for high-performance, ultra-low-cost, and long-duration electronics thermal management）为题发在 Device[1]。
香港城市大学博士研究生隋增光是第一作者，华中科技大学教授杨荣贵和香港城市大学教授吴伟担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Device）
目前，该团队在被动式热管理技术上已经取得阶段性的成果。为了使该技术能够成功应用到不同的场合，他们将围绕一下几点进行研究。
其一，为了响应国家“碳中和”和“5G 与数据中心节能增效”等相关政策，课题组正在寻求更大的突破，以期进一步提高该技术的性能。
其二，为了证明该技术的在不同应用场景的适用性，后续实验将侧重于测试该技术在电池、发光二极管、太阳能板、智能家居等场合的性能。
其三，随着人们对便携式电子设备需求的增加，接下来的研究将会进一步优化技术方案，使其具有更小的体积和更高的热管理能力。
“最后，我想谈谈我的科研感受。我们需要脚踏实地，一步一个脚印地前行。然而，我们也不能忘记仰望星空，保持对未知领域的好奇心和探索欲望。
星空中的繁星激励着我们超越现有的边界，追求更深刻的认识和突破。在科研旅途中，我们需要同时保持脚踏实地和仰望星空的态度，不断积累、不断追求，才能取得真正的成就。”吴伟表示。
参考资料：
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.