制冷速率比真冰箱超百万倍！科学家造出纳米级“冰箱”，应用前景广泛

近日，由加州大学洛杉矶分校物理学教授克里斯·里根(Chris Regan)领导的一个团队成功地创造了只有100纳米厚的热电冷却器。

里根对此颇为自豪，表示：“我们制造了世界上最小的冰箱”。其实，这种微型设备并非日常意义上的冰箱。但其应用前景却很广泛，可以用于用于冷却计算机和其他电子设备，调节光纤网络的温度，以及减少高端望远镜和数码相机的图像噪点。

这种器件由将两种不同的半导体夹在金属化板之间制成，有两种工作方式。加热时，一边变热，另一边变冷;产生的温差可以用来发电。例如，美国宇航局旅行者号宇宙飞船上的科学仪器40年来一直就是靠热电装置供电。将来，类似的设备可能用于从汽车尾气中获取热量，为空调提供动力。

这个过程也是可逆的。当电流施加到设备上时，一侧变热，另一侧变冷，使其能够用作冷却器，这项技术有朝一日可能会取代冰箱中的蒸汽压缩系统。

为了制造热电冷却器，里根团队使用了两种标准半导体材料:碲化铋(Bismuth telluride)和碲化锑铋(Antimony-bismuth telluride)。碲化铋是既是半导体也是热电材料，具有较好的导电性，但导热性较差。

研究人员将普通透明胶带贴在大块的传统散装材料上，将其剥离，然后从仍然粘在胶带上的材料中获取了很薄的单囊薄片。从这些薄片中，他们制造了只有100纳米厚的功能器件，总有效体积约1立方微米，人的肉眼看不见。

图为显微镜下的热电设备，其中左右两个条状物就是实验所用的两种半导体材料，中间的神色部分为发热/制冷区域，周围的斑点则是铟纳米粒子，用于测量温度变化。

这种纳米级“冰箱”的另一个显著特征是其快速的响应速度，其制冷速度要比目前使用的冰箱快数百万倍。

不过，该装置也存在缺点，与传统的基于压缩的系统相比，其效率较低，阻碍了该技术的广泛采用。简而言之，在更大的范围内，热电设备无法产生足够的电力，也无法使温度大幅下降。

要在纳米级别上测量温度的变化也是一项挑战。光学温度计在这种情况下精确度很低，扫描探针技术需要专门、昂贵的设备。

为此，里根的研究小组开发了一种叫做等离子体能量膨胀测温法(Plasmon Energy Expansion Thermometry,PEET)的测温技术，使用透射电子显微镜通过测量密度的变化来确定纳米尺度的温度。

为了测量热电冷却器的温度，研究人员在每个冷却器上沉积了由铟元素制成的纳米粒子。当研究小组改变冷却器的功率时，设备被加热和冷却，铟相应地膨胀和收缩。通过测量铟的密度，研究人员能够确定纳米粒子的精确温度，从而确定冷却器的温度。

作为补充，研究人员还发明了一种叫做冷凝测温的技术。原理很简单:当正常空气冷却到一定温度时，空气中的水蒸气凝结成液滴。该团队利用这种效应，在用光学显微镜观察的同时给热电设备供电。当设备达到临界温度时，其表面会立即形成微小的露珠。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源：

https://newatlas.com/electronics/worlds-smallest-refrigerator-one-cubic-micrometer/

https://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-scientists-create-worlds-smallest-refrigerator