為瞭解決限制下一代計算機和高功率電子設備可靠性的高熱負荷，研究人員開發了一種全由微生物驅動的新型材料加工方法。這項技術由田納西大學諾克斯維爾校區材料科學與工程系的助理教授徐偉南（Weinan Xu）所研發，利用協同微生物合成技術生長高性能熱界面材料。這項研究提供了一種環保的替代方案，取代傳統電子製造方法，所產生的材料具有極高的熱散逸性能。熱界面材料是專門插入在活躍電子處理器和外部冷卻硬件之間的物質，主要功能是消除自然形成的微小空氣袋，為熱能快速排出設備提供順暢的通道。
隨著現代計算元件消耗更多的能量並以更高速度運行，管理熱邊界成為防止性能下降和硬件故障的關鍵。
微生物合成技術顯著提升熱導率
通過動態改變細菌的生長方式和改變所產生材料的加工方式，徐教授的團隊展示了材料的內部熱導率可以精確調整。該新型生物複合材料的結構優勢在於它是由細菌在室温的水溶液中自然產生的。傳統工業化學方法處理熱材料時，常需使用苛刻的有毒化學品和極端的加工温度。微生物技術則透過讓細菌利用特定的化學飲食直接進行材料加工，避免了這些資源密集的要求。透過為特定類型的細菌提供以糖為基礎的碳源和作為無機金屬前體的金屬離子，這些微生物自動合成了一種有機與無機的混合基質。
與目前商業電子產品中使用的傳統人工混合熱界面材料相比，徐教授的生物合成替代品展示了高出 5 至 10 倍的熱導率，這一性能提升顯著改善了標準電子冷卻元件的物理邊界。
DARPA 支持微生物驅動的熱管理技術
由於高效的熱管理是現代軍事設備的運行必要條件，國防高級研究計劃局（DARPA）積極支持這項下一代熱基礎設施的發展。國防網絡需要具備卓越性能的界面材料，以保護在惡劣環境中部署的戰術電子設備和敏感的儲能系統。DARPA 的具體項目標準要求這些先進的熱屏障在高運行閾值的同時，必須使用環保、無害的方法進行製造。微生物合成技術的成功驗證直接滿足了這些軍事需求，為更廣泛的工業應用鋪平了道路。
除了標準軍事硬件外，研究團隊目前正與各種商業行業合作夥伴進行積極討論，以探索授權和部署機會。由於該材料具有高度可定製的熱導率，因此正被針對應用於民用電子設備、高容量固定電池、商業無人機以及快速增長的電動車（EV）製造市場。
儘管生物複合材料的實驗性能已經得到充分驗證，徐教授的研究團隊的下一個階段將專注於降低生產成本並加快整體製造效率。目前在大學實驗室使用的基線合成方法，從幾天到幾週不等才能產出一批可用的熱材料。縮短這一週轉時間對於使基於細菌的開發過程能夠實現大規模工業商業化至關重要。展望未來，這一微生物概念在其他科學領域也具有重要潛力。徐教授的團隊正在積極調整這一細菌合成模型的相關變體，以優化關鍵稀土元素的回收，這仍然是供應鏈中的重要目標。
此外，由於細菌生成的獨特結構可被設計為完全生物相容，研究人員正在研究這些材料在先進生物醫學組織工程應用中的潛力。這項研究首次發表於《Matter》期刊。
