酷毙了——“冷冻射线”技术

一项不寻常的发现正在被开发，作为高空飞行军用电子设备的按需冷却解决方案。

　　

《蝙蝠侠》里的大反派冻人先生用来“冰”敌人的冷冻射线枪?弗吉尼亚大学的一位教授认为，他可能已经找到了如何在现实生活中制造出一台的方法。

然而，这一发现——出乎意料地依赖于产生热量的等离子体——并不意味着用于武器。机械和航空航天工程教授Patrick Hopkins希望为航天器和高空喷气机内部的电子设备创造按需表面冷却。“这是目前的主要问题，”Hopkins说。“飞机上的很多电子设备都在升温，但它们没有办法降温。”

美国空军非常看好冷冻射线的前景，已经向教授的ExSiTE实验室(热工程实验和模拟)提供了75万美元，用于研究如何在三年内最大限度地利用这项技术。在那里，该实验室将与Hopkins的UVA衍生公司Laser Thermal合作，制造一个原型设备。

这位教授解释说，在地球上，或者在离地球更近的空气中，军用飞机上的电子设备通常可以被自然冷却。例如，海军使用海水作为液体冷却系统的一部分。离地面更近的地方，空气密度足够让飞机部件保持低温。

然而，“空军和太空部队是在真空的太空中，或者是在高层大气中，那里几乎没有可以冷却的空气，”他说。“所以你的电子设备会变得越来越热。而且你不能携带有效载荷的冷却剂，因为这会增加重量，降低效率。”

Hopkins相信他正在朝着轻量级解决方案的方向前进。他和合作者最近在ACS Nano杂志上发表了一篇关于这项技术和其他前景的评论文章。        

物质的第四态

我们每天遇到的物质以三种状态存在:固体、液体和气体。但还有第四种状态:等离子体。虽然等离子体对地球上的我们来说相对罕见，但它是宇宙中最常见的物质形式。事实上，它是构成恒星的物质。

Hopkins说，当气体被激发时，等离子体就会产生。这赋予了它们独特的属性，这些属性根据气体的类型和其他条件而变化。但将所有等离子体统一起来的是一种最初的化学反应，它将电子从核轨道中解放出来，释放出光子、离子和电子流，以及其他高能物质。

这种令人瞠目结舌的结果可以在闪电的突然闪过，或者霓虹灯的温暖光芒中看到。

虽然等离子电视曾经是一种东西，但后来逐渐被淘汰了，但不要被它愚弄了。等离子体在科技领域的应用越来越广泛。它已经被用于空军许多最快的喷气式飞机的发动机中。等离子体有助于燃烧，提高速度和效率。

但Hopkins描绘了等离子体也被用于飞船内部。         

航空和航天电子设备的典型解决方案是一个“冷板”，它将热量从电子设备传导到散热器，散热器释放热量。然而，对于先进的电子产品，这可能并不总是足够的。Hopkins认为，修改后的装置可能类似于一个机械臂，可以根据温度变化而漫游，带有一个短而近的电极，可以消除热点。“等离子体喷射就像激光束;就像一道闪电，”Hopkins说。“它可以非常局部。”

等离子体之谜

酷炫事实:等离子体的温度可以达到太阳表面的温度。但它似乎也有一个奇怪的特征——一个似乎违反热力学第二定律的特征。当它撞击物体表面时，在加热之前会先冷却。

Hopkins和他的合作者，美国海军研究实验室的Scott Walton，在几年前，就在大流行爆发之前，发现了这一意想不到的发现。

“我的专长是做非常非常快，非常非常小的温度测量，”Hopkins说，他的定制显微仪器，可以记录专门的热量登记。

在他们的实验中，他们通过一个包裹在陶瓷中的空心针发射了一束由氦产生的紫色等离子体。目标是镀金的表面。研究人员之所以选择黄金，是因为它是惰性的，而且他们希望尽可能避免聚焦光束对表面的腐蚀，以免影响结果。

“因此，当我们打开等离子体时，”Hopkins说，“我们可以立即测量等离子体撞击的温度，然后我们可以看到表面是如何变化的。”我们先看到表面变冷，然后变热。

“我们只是在某种程度上对为什么会发生这种情况感到困惑，因为它一次又一次地发生。我们没有任何信息可以从中提取因为之前没有文献能够像我们这样精确地测量温度的变化。没有人能做到这么快。”

他们意识到

他们与当时的弗吉尼亚大学博士研究员John Tomko合作，并与海军实验室继续进行测试，最终确定的是，表面冷却一定是爆炸超薄的、难以看到的表层的结果，该表层由碳和水分子组成。当我们游泳后皮肤上的冷水蒸发时，也会发生类似的过程。

“身体上水分子的蒸发需要能量;它会从身体中吸收能量，这就是为什么你会觉得冷。在这种情况下，等离子体撕裂吸收的物质，释放能量，这就是冷却的原因。”Hopkins的显微镜通过一种称为“时间分辨光学测温”的过程工作，并测量一种称为“热反射率”的东西。基本上，当表面材料较热时，它反射的光与较冷时不同。因为等离子体会使任何直接接触的温度计消失，所以需要专门的示波器。

那么冷到底有多冷呢?他们确定他们能够在几微秒内将温度降低几度。虽然这看起来并不引人注目，但它足以在某些电子设备中产生影响。

Hopkins和合作者去年在《Nature Communications》上发表了他们的初步发现。然后问题就变成了:他们能得到更冷、更持久的反应吗?

精炼冻结光线

此前，弗吉尼亚大学的实验室使用的是海军借来的设备——重量轻、安全，经常用于学校演示——现在，多亏了空军的拨款，该实验室有了自己的设备。

该团队正在研究如何在原始设计的基础上改进设备。博士生Sara Makarem Hoseini和Daniel Hirt正在研究等离子体可以瞄准的气体、金属和表面涂层。

Hirt提供了实验室的最新情况。

“我们还没有真正探索不同气体的使用，因为我们还在研究氦，”他说。“到目前为止，我们已经对不同的金属进行了实验，比如金和铜，以及半导体，每种材料都为研究等离子体如何与其不同性质相互作用提供了自己的平台。由于等离子体是由各种不同的粒子组成的，改变所使用的气体类型将使我们能够看到这些粒子中的每一个是如何影响材料特性的。”

Hirt说，与Hopkins合作进行一个具有如此重大意义的项目，使他重新燃起了对研究的兴趣，这在很大程度上要归功于教授营造的支持性实验室环境。

他说:“我觉得，与我今天所处的位置相比，不仅是我作为一名科学家的位置，还有我对科学的享受，都是天壤之别。”

Ashutosh Giri, Scott G. Walton, John Tomko, Niraj Bhatt, Michael J. Johnson, David R. Boris, Guanyu Lu, Joshua D. Caldwell, Oleg V. Prezhdo, Patrick E. Hopkins. Ultrafast and Nanoscale Energy Transduction Mechanisms and Coupled Thermal Transport across Interfaces. ACS Nano, 2023