这种流体动力学行为可以产生更有效的设备。来源：吴丽娜/新加坡国立大学

你通常不想把电和水混为一谈，但像水一样的电有可能改善电子设备。哥伦比亚大学的工程师James Hone和新加坡国立大学和耶鲁-新加坡国立大学的理论物理学家Shaffique Adam小组最近的工作建立了对这种不寻常的流体动力学行为的新理解，这种行为改变了关于金属物理学的一些旧假设。该研究于4月15日发表在《科学进展》杂志上。

在这项工作中，该团队研究了一种新型半导体的行为，其中带负电的电子和带正电的“空穴”同时携带电流。他们发现，这种电流可以用两个“流体动力学”方程来描述：一个描述电子和空穴如何相互滑动，另一个描述所有电荷如何通过材料的原子晶格一起移动。

“简单的公式通常意味着简单的物理学，”Hone说，当亚当的博士后Derek Ho建立新模型时，他感到惊讶，该模型挑战了许多物理学家在教育早期学习金属的假设。“我们都被教导说，在普通金属中，你真正需要知道的是电子如何从各种类型的缺陷中反弹，”Hone说。“在这个系统中，我们在第一门课程中学到的基本模型并不适用。

在携带电流的金属导线中，有许多移动的电子在很大程度上相互忽略，就像拥挤的地铁上的乘客一样。当电子移动时，它们不可避免地会遇到携带它们的材料中的物理缺陷或导致它们散射的振动。电流变慢，能量损失。但是，在电子数量较少的材料中，这些电子实际上彼此强烈相互作用，并且会一起流动，就像水通过管道一样。它们仍然会遇到这些相同的缺陷，但它们的行为是完全不同的：Hone说，你现在必须将整个电子（和空穴）处理在一起，而不是考虑单个电子随机散射。

为了通过实验测试他们简单的流体动力学导电性新模型，该团队研究了双层石墨烯 - 一种由两个原子薄的碳片制成的材料。Hone的博士生Cheng Tan测量了从室温到接近绝对零度的电导率，因为他改变了电子和空穴的密度。Tan和Ho发现模型与他们的结果之间非常匹配。“令人惊讶的是，实验数据与流体动力学理论的一致性要好得多，而不是关于电导率的旧'标准理论'，”Ho说。

当材料以允许打开和关闭导电性的方式进行调整时，该模型就起作用了，即使在室温体动力学行为也很突出。“双层石墨烯已经研究了15年以上，这真的很了不起，但直到现在我们还没有正确理解其室温电导率，”Hone说，他也是王芳仁教授和哥伦比亚工程学院机械工程系主任。

低电阻，室温电导率可以有非常实际的应用。现有的超导材料在没有电阻的情况下导电，需要保持令人难以置信的低温。能够流体动力流动的材料可以帮助研究人员制造更高效的电子设备-称为粘性电子设备-不需要如此强烈和昂贵的冷却。

在更基本的层面上，该团队验证了电子和空穴之间的滑动运动并非石墨烯特有，来自新加坡国立大学材料科学与工程系和耶鲁 - 新加坡国立大学理学院科学系的副教授Adam说。由于这种相对运动是普遍的，研究人员应该能够在其他材料中找到它 - 特别是随着改进制造技术继续产生更清洁和更清洁的样品，Hone Lab在过去十年中一直专注于开发。在未来，研究人员还可能设计特定的几何形状，以进一步提高为利用这种独特的类似水的集体行为而制造的设备的性能。