圖源：pixabay

　　低熱導率材料對於(yu) 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杆就是很好的例子。這些組件可用於(yu) 所有低溫技術，尤其是對於(yu) 量子計算的當前進展，因為(wei) 量子計算的運行和相幹性依賴於(yu) 孤立的低溫。

　　一直以來，材料學家都致力於(yu) 找到合適的隔熱材料。某些塑料材料，例如Vespel，就具有較低的導熱率，但是大量應用價(jia) 格會(hui) 很高。

　　最近，《自然·科學報告》上麵發表了蘭(lan) 開斯特大學在這方麵的新工作。他們(men) 發現，通過利用商購的樂(le) 高積木，組成的模塊化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）固態/空隙結構，其有效導熱率甚至低於(yu) 行業(ye) 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(ge) 模塊很容易實現可負擔且可重複的大批量定製。

　　研究人員研究了模塊化丙烯腈丁二烯苯乙烯結構，該結構包括四個(ge) 標準樂(le) 高塊（目錄號3001），這些塊垂直堆疊並安裝在蘭(lan) 開斯特大學建造的3He / 4He稀釋冰箱中。由於(yu) 市售的樂(le) 高積木以10μm^3的精度模製而成，因此很容易精確地複製結構。我們(men) 知道，這些積木塊與(yu) 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(wei) 40.2 mm，占地麵積為(wei) 502 mm2，重量為(wei) 9.28 g。 在結構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(yu) 稀釋裝置的混合室熱連接，在上銅板上安裝了3Ω的錳銅絲(si) 加熱器和校準的電阻溫度計。

圖源：文獻[1]

　　這台由大學專(zhuan) 門製造的機器是世界上最有效的製冷劑，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(wan) 倍，比深空低2,000倍。

　　冷卻後，在進行實驗之前，將下板在低溫約為(wei) 4.5mK下保持9天。為(wei) 了測量熱導率，將恒定的熱量施加到上板上。在上板溫度穩定之後，進行測量。

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

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

圖源：文獻[1]

　　這對於(yu) 某些應用可能很重要，但是對於(yu) 大多數應用而言，較低的導熱係數和成本是更重要的因素。

　　領導該研究小組的德米特裏·子梅耶夫（Dmitry Zmeev）博士說：“我們(men) 的結果非常重要，因為(wei) 我們(men) 發現樂(le) 高積木塊之間的夾緊裝置使樂(le) 高積木結構在低溫下表現出非常好的絕熱性能。這對於(yu) 用於(yu) 設計未來科學設備（例如稀釋致冷機）的建築材料非常理想。”

　　在這項工作中，研究人員證明了由樂(le) 高積木組裝而成的模塊化丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）結構可以在毫開爾文溫度下提供非常有效的絕熱體(ti) 。對於(yu) 樂(le) 高支持的實驗，隻需要5平方厘米的占地麵積，足以提供小於(yu) 400毫瓦的功率即可達到100立方米至1千K的溫度範圍，這不會(hui) 顯著改變混合室的溫度，因此不會(hui) 幹擾其他在同一稀釋單位中進行的實驗。

　　樂(le) 高積木的熱導率應該與(yu) 其他聚合物材料沒有多大不同，正相反，該結構的極低導熱率可以歸因於(yu) 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十億(yi) 美元產(chan) 業(ye) 的中心，對現代實驗物理和工程（包括量子計算機的開發）的工作至關(guan) 重要。3He / 4He稀釋製冷機是一種低溫設備，可提供連續冷卻至2 mK的溫度，而在低溫區域中沒有移動部件。氦3和氦4同位素的混合熱提供了冷卻能力。

　　它由亨氏倫(lun) 敦於(yu) 1950年代初首次提出的，並於(yu) 1964年在萊頓大學的卡默林格·昂內(nei) 斯實驗室中通過實驗實現。

　　使用諸如樂(le) 高之類的ABS塑料結構代替當前使用的固體(ti) 材料，意味著可以以大大降低的成本生產(chan) 任何未來的絕熱材料。

　　研究人員說，他們(men) 的下一步計劃是為(wei) 下一代稀釋冰箱設計和3D打印新的絕熱材料。ABS已經是3D打印的流行基礎材料。創建具有高強度，易於(yu) 操作和低電導率的複雜蜂窩狀幾何結構，用作低至毫微克爾文溫度及以下的低溫絕緣體(ti) ，將很容易。



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