乐高成为隔热新材料
图源：pixabay
低热导率材料对于热隔离低温组件是必不可少的条件。稀释冰箱中的辐射屏蔽垫片和支撑杆就是很好的例子。这些组件可用于所有低温技术，尤其是对于量子计算的当前进展，因为量子计算的运行和相干性依赖于孤立的低温。
一直以来，材料学家都致力于找到合适的隔热材料。某些塑料材料，例如Vespel，就具有较低的导热率，但是大量应用价格会很高。
最近，《自然·科学报告》上面发表了兰开斯特大学在这方面的新工作。他们发现，通过利用商购的乐高积木，组成的模块化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）固态/空隙结构，其有效导热率甚至低于行业标准的散装材料，同时具有良好的机械性能。最难能可贵的是，各个模块很容易实现可负担且可重复的大批量定制。
研究人员研究了模块化丙烯腈丁二烯苯乙烯结构，该结构包括四个标准乐高块（目录号3001），这些块垂直堆叠并安装在兰开斯特大学建造的3He / 4He稀释冰箱中。由于市售的乐高积木以10μm^3的精度模制而成，因此很容易精确地复制结构。我们知道，这些积木块与块通过其互锁的几何夹紧力完全保持在一起，因而无需添加粘合剂材料。该叠层的总高度为40.2 mm，占地面积为502 mm2，重量为9.28 g。 在结构的上端和下端的铜板连接处借助真空油脂进行连接，以改善热接触。下铜板与稀释装置的混合室热连接，在上铜板上安装了3Ω的锰铜丝加热器和校准的电阻温度计。
图源：文献[1]
这台由大学专门制造的机器是世界上最有效的制冷剂，或者说冰箱，能够达到比绝对零值高1.6摄氏度（零下273.15摄氏度）的温度，比室温低20万倍，比深空低2,000倍。
冷却后，在进行实验之前，将下板在低温约为4.5mK下保持9天。为了测量热导率，将恒定的热量施加到上板上。在上板温度稳定之后，进行测量。
丙烯腈丁二烯苯乙烯结构提供的高绝缘水平很可能是由各个乐高积木块之间的接触电阻引起的。如图所示，对结构的顶板施加约400nW的功率会使顶板温度升至1 K，而底板（混合室）温度没有明显变化。
研究结果表明尽管有空隙，它在机械上也很坚固，并且可以承受任何合理的低温实验。
图源：文献[1]
这对于某些应用可能很重要，但是对于大多数应用而言，较低的导热系数和成本是更重要的因素。
领导该研究小组的德米特里·子梅耶夫（Dmitry Zmeev）博士说：“我们的结果非常重要，因为我们发现乐高积木块之间的夹紧装置使乐高积木结构在低温下表现出非常好的绝热性能。这对于用于设计未来科学设备（例如稀释致冷机）的建筑材料非常理想。”
在这项工作中，研究人员证明了由乐高积木组装而成的模块化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）结构可以在毫开尔文温度下提供非常有效的绝热体。对于乐高支持的实验，只需要5平方厘米的占地面积，足以提供小于400毫瓦的功率即可达到100立方米至1千K的温度范围，这不会显着改变混合室的温度，因此不会干扰其他在同一稀释单位中进行的实验。
乐高积木的热导率应该与其他聚合物材料没有多大不同，正相反，该结构的极低导热率可以归因于块之间的高电阻固-固连接。
稀释致冷机 图源：Wikipedia
稀释致冷机是全球数十亿美元产业的中心，对现代实验物理和工程（包括量子计算机的开发）的工作至关重要。3He / 4He稀释制冷机是一种低温设备，可提供连续冷却至2 mK的温度，而在低温区域中没有移动部件。氦3和氦4同位素的混合热提供了冷却能力。
它由亨氏伦敦于1950年代初首次提出的，并于1964年在莱顿大学的卡默林格·昂内斯实验室中通过实验实现。
使用诸如乐高之类的ABS塑料结构代替当前使用的固体材料，意味着可以以大大降低的成本生产任何未来的绝热材料。
研究人员说，他们的下一步计划是为下一代稀释冰箱设计和3D打印新的绝热材料。ABS已经是3D打印的流行基础材料。创建具有高强度，易于操作和低电导率的复杂蜂窝状几何结构，用作低至毫微克尔文温度及以下的低温绝缘体，将很容易。
原创稿件
制作 杨枭 中国科学院大学
审校 赵峥 北京师范大学物理系教授
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