热致发声器是一种基于焦耳热直接转换为声波的能量转换器, 其工作原理是对介质(如空气, 水等)中的导体施加交变电流, 产生周期性变化的焦耳热脉冲, 使周围介质发生周期性膨胀, 从而产生声波, 即热致发声. 热致发声器具有频响范围宽、无需振动元件的显着特点, 在模拟发声、三维成像等领域具有潜在的应用. 因此, 近年来受到人们的广泛关注. 南京航空航天大学纳米科学研究所郭万林教授团队首次以三维泡沫状石墨烯材料构建热声元件, 发现其能显着抑制基底热散失, 产生高的声压, 提高发声效率. 该研究以“Low voltage driven graphene foam thermoacoustic speaker”为题于2015年5月20日发表在Small, 并被选为封面文章. 导体中热声效应的发现可以追溯到1898年. Braun首次发现输入交流电的导电材料表面能够发出声音, 但所产生的声音信号在开放环境中非常微弱. 1917年Arnold和Crandall针对这一问题进行了系统的理论推导, 阐明了热声效应的物理机制, 并且给出了精确的公式描述. 他们发现要获得较大的声压信号, 导体需要满足几个条件: (1) 导电材料要足够薄; (2) 单位面积热容量尽量小; (3) 具有高的热导能迅速将热量传递至周围介质. 由于常规材料中热声效率极低, 因而该现象自发现一个世纪以来, 一直未有大的技术进展, 直到2008年范守善课题组发现多壁碳纳米管薄膜具有特别突出的热声效应并制备出柔性透明热致扬声器, 才使纳米材料和纳米技术的发展促进热声效应走向实用. 目前多孔硅、金属纳米线、ITO薄膜、碳纳米管和石墨烯等被应用于热声器件的研究. 其中碳纳米管和石墨烯由于单位面积热容极低、热导率非常高的优异特性, 作为理想的热致发声材料而受到关注. 　　　 由单原子层碳六元环构成的石墨烯被认为是自然界可能发现的最薄材料, 具有弹道输运、高迁移率、高导热导电性、高机械强度等优异性能, 在微电子、信息、能源等重要领域具有巨大的应用潜力. 在热声转换器件方面, 石墨烯具有的超薄结构, 极高的热导以及比碳纳米管还低一个数量级的热容量, 使得其具有突破的可能. 以往的研究发现, 转移到基底上的石墨烯薄膜由于对基底的传热, 严重影响发声性能. 郭万林研究团队于2013年研制出具有超低介电常数的超轻、超弹、超热稳定的三维氮化硼泡沫(Nano Lett. 2013, 13: 3232-3236), 利用同样的方法以泡沫镍为模板, 通过化学气相沉积制备出了三维石墨烯泡沫. 组成石墨烯泡沫的网络由单层至多层的石墨烯膜构成, 保持了石墨烯单位面积比热低、热导高的优异性质. 同时, 悬空的石墨烯薄膜产生的焦耳热直接加热周围的空气介质, 有效地降低了热损失. 而且由于石墨烯骨架的互联, 石墨烯泡沫的面内电阻低, 能在较低的驱动电压下产生较高的声压(图1). 低电压驱动的显着特点有利于其在恒压驱动环境如便携式电子设备中的应用. 进一步研究发现该石墨烯泡沫的热声特性与其微观结构有关, 通过对其结构的调控能进一步提高热致发声的性能, 从而满足实际应用的需要. 三维泡沫石墨烯热声器件具有易调控、低电压驱动的特点, 在便携式发声、柔性可穿戴电子及超声器件等领域具有广阔的应用前景. 图1 泡沫状石墨烯热致发声器件示意图 来源：科学通报