圖源：pixabay

　　低熱導(dǎo)率材料對于熱隔離低溫組件是必不可少的條件。稀釋冰箱中的輻射屏蔽墊片和支撐桿就是很好的例子。這些組件可用于所有低溫技術(shù)，尤其是對于量子計算的當前進展，因為量子計算的運行和相干性依賴于孤立的低溫。

　　一直以來，材料學(xué)家都致力于找到合適的隔熱材料。某些塑料材料，例如Vespel，就具有較低的導(dǎo)熱率，但是大量應(yīng)用價格會很高。

　　最近，《自然·科學(xué)報告》上面發(fā)表了蘭開斯特大學(xué)在這方面的新工作。他們發(fā)現(xiàn)，通過利用商購的樂高積木，組成的模塊化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）固態(tài)/空隙結(jié)構(gòu)，其有效導(dǎo)熱率甚至低于行業(yè)標準的散裝材料，同時具有良好的機械性能。最難能可貴的是，各個模塊很容易實現(xiàn)可負擔且可重復(fù)的大批量定制。

　　研究人員研究了模塊化丙烯腈丁二烯苯乙烯結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括四個標準樂高塊（目錄號3001），這些塊垂直堆疊并安裝在蘭開斯特大學(xué)建造的3He / 4He稀釋冰箱中。由于市售的樂高積木以10μm^3的精度模制而成，因此很容易精確地復(fù)制結(jié)構(gòu)。我們知道，這些積木塊與塊通過其互鎖的幾何夾緊力完全保持在一起，因而無需添加粘合劑材料。該疊層的總高度為40.2 mm，占地面積為502 mm2，重量為9.28 g。 在結(jié)構(gòu)的上端和下端的銅板連接處借助真空油脂進行連接，以改善熱接觸。下銅板與稀釋裝置的混合室熱連接，在上銅板上安裝了3Ω的錳銅絲加熱器和校準的電阻溫度計。

圖源：文獻[1]

　　這臺由大學(xué)專門制造的機器是世界上最有效的制冷劑，或者說冰箱，能夠達到比絕對零值高1.6攝氏度（零下273.15攝氏度）的溫度，比室溫低20萬倍，比深空低2,000倍。

　　冷卻后，在進行實驗之前，將下板在低溫約為4.5mK下保持9天。為了測量熱導(dǎo)率，將恒定的熱量施加到上板上。在上板溫度穩(wěn)定之后，進行測量。

　　丙烯腈丁二烯苯乙烯結(jié)構(gòu)提供的高絕緣水平很可能是由各個樂高積木塊之間的接觸電阻引起的。如圖所示，對結(jié)構(gòu)的頂板施加約400nW的功率會使頂板溫度升至1 K，而底板（混合室）溫度沒有明顯變化。

　　研究結(jié)果表明盡管有空隙，它在機械上也很堅固，并且可以承受任何合理的低溫實驗。

圖源：文獻[1]

　　這對于某些應(yīng)用可能很重要，但是對于大多數(shù)應(yīng)用而言，較低的導(dǎo)熱系數(shù)和成本是更重要的因素。

　　領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的德米特里·子梅耶夫（Dmitry Zmeev）博士說：“我們的結(jié)果非常重要，因為我們發(fā)現(xiàn)樂高積木塊之間的夾緊裝置使樂高積木結(jié)構(gòu)在低溫下表現(xiàn)出非常好的絕熱性能。這對于用于設(shè)計未來科學(xué)設(shè)備（例如稀釋致冷機）的建筑材料非常理想?！?/p>

　　在這項工作中，研究人員證明了由樂高積木組裝而成的模塊化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）結(jié)構(gòu)可以在毫開爾文溫度下提供非常有效的絕熱體。對于樂高支持的實驗，只需要5平方厘米的占地面積，足以提供小于400毫瓦的功率即可達到100立方米至1千K的溫度范圍，這不會顯著改變混合室的溫度，因此不會干擾其他在同一稀釋單位中進行的實驗。

　　樂高積木的熱導(dǎo)率應(yīng)該與其他聚合物材料沒有多大不同，正相反，該結(jié)構(gòu)的極低導(dǎo)熱率可以歸因于塊之間的高電阻固-固連接。

稀釋致冷機 圖源：Wikipedia

　　稀釋致冷機是全球數(shù)十億美元產(chǎn)業(yè)的中心，對現(xiàn)代實驗物理和工程（包括量子計算機的開發(fā)）的工作至關(guān)重要。3He / 4He稀釋制冷機是一種低溫設(shè)備，可提供連續(xù)冷卻至2 mK的溫度，而在低溫區(qū)域中沒有移動部件。氦3和氦4同位素的混合熱提供了冷卻能力。

　　它由亨氏倫敦于1950年代初首次提出的，并于1964年在萊頓大學(xué)的卡默林格·昂內(nèi)斯實驗室中通過實驗實現(xiàn)。

　　使用諸如樂高之類的ABS塑料結(jié)構(gòu)代替當前使用的固體材料，意味著可以以大大降低的成本生產(chǎn)任何未來的絕熱材料。

　　研究人員說，他們的下一步計劃是為下一代稀釋冰箱設(shè)計和3D打印新的絕熱材料。ABS已經(jīng)是3D打印的流行基礎(chǔ)材料。創(chuàng)建具有高強度，易于操作和低電導(dǎo)率的復(fù)雜蜂窩狀幾何結(jié)構(gòu)，用作低至毫微克爾文溫度及以下的低溫絕緣體，將很容易。



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【科學(xué)防控】，學(xué)習(xí)疫情相關(guān)科普知識