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济南又一条跨黄隧道开通，城市基因彻底再次改写_我的网站

A |     AI 的发展正在不断推高全球对算力的需求，随着以英伟达（NVIDIA）为代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，数据中心的机架功率密度将被推至 300 千瓦级别。         巨大能耗之下，散热成为不容忽视的关键问题：芯片消耗的电能几乎全部以热的形式耗散出来。而在目前的芯片热传导路径中，铜是散热扩散层、热管、蒸汽腔和封装基板的主力材料，导热率约为 400 瓦每米每开尔文（W/m·K）。          　　8月25日，济南黄岗路黄河隧道建成通车。一个世纪以来，这就是金属导热的真实性能上限。至此，济南在黄河之下已拥有两条世界级大直径盾构隧道，“四桥四隧”跨黄通道群加速成网。

B |      　　这不是一条普通的跨黄隧道。         今年年初，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）萨缪利工程学院的胡永杰教授团队在《科学》（Science）发文，他们造出一种曾经只存在于理论中的金属材料：θ 相氮化钽（θ-TaN）单晶。

C | 实验发现，该材料的室温导热率可达 1,100 W/m·K 左右，接近铜的三倍。

D | 回望中国跨江、跨河通道史，1957年武汉长江大桥通车，将三镇缝合成一座大武汉，开启了长江城市的跨江融合时代;1991年上海南浦大桥飞架浦江，延安东路隧道穿江而过，浦东从“烂泥渡”一跃成为国际金融中心。

E |          （来源：Science）          θ-TaN 的 70 年发现之旅          1950 年代，德国化学家布劳尔（Brauer）等人在高温高压条件下发现，TaN 存在一种 θ 相。     　　交通设施的跨越式升级，从来都是改写城市基因的关键变量。

F | 对于被黄河穿城而过的济南而言，黄岗路黄河隧道的通车，意味着这座城市再一次改写城市空间格局，从“跨黄”加速迈向“拥黄”——黄河，正在从城市天堑变为城市内河。近年来，学界预测，θ-TaN 具备远超常规金属的本征导热率，潜在值接近金刚石和砷化硼。但此前有关 θ-TaN 的研究都停留在理论层面，高质量 θ-TaN 晶体始终未被造出，其导热性能也无从验证。      　　济南日报·爱济南记者 崔健 摄      　　17.5米直径，世界之“最”的硬核实力      　　走进黄岗路黄河隧道，给人的第一印象就是“大”——      　　世界最大直径水下盾构隧道，开挖直径达17.5米的“山河号”盾构机，相当于六层楼高，刀盘面积240平方米，可覆盖2套三室两厅的商品房;隧道单洞双层布置，上层自南向北，下层自北向南，在国内穿黄隧道中尚属首例。         障碍主要在合成端。

G | 稳定 θ 相需要在数千摄氏度环境下对材料施加数吉帕（GPa）压力，加之氮化钽体系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多种竞争晶相，过往合成的样品几乎都是含有晶界、缺陷与混相的多晶粉末。4.2米的内部净高，可满足通行公交、消防、管理及救援车辆等要求。         而且，此前的理论分析也指出，如果 θ-TaN 晶体存在缺陷或杂质，其导热率会远低于理论值水平。     　　为何要造如此“大”的隧道?“一次开挖，即得两层，实现两洞隧道的交通功能。

H |          为解决这一难题，胡永杰团队与日本东北大学（Tohoku University）多学科先进材料研究所的孝广（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一种名为助熔剂辅助复分解反应的技术：以金属钠同时充当还原剂和助熔剂，绕开传统高压合成路线，在富氮环境下直接将氧化钽转化为氮化钽单晶。         最终得到的 θ-TaN 单晶尺寸在 10 到 100 微米之间，表面光洁、单一晶相。

I | 团队进一步通过拉曼光谱、单晶 X 射线衍射（S-XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）等表征手段确认了样品的结构完整性，证实其特征与先前预测高度吻合。         成功造出单晶后，团队终于有了验证 θ-TaN 导热率的机会。”中铁十四局黄岗路黄河隧道项目现场负责人周祥解释，如此设计不仅节约了宝贵的地下空间，更让工程投资减少约15%。但“大”也意味着前所未有的挑战。

J | 测量结果显示，在室温条件下，θ-TaN 沿 a 轴方向（六方晶格底面内）的导热率约为 1105 W/m·K，沿 c 轴方向（垂直于底面）约为 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 导热性能的各向异性。而跨整个晶体扫描的空间分布测量显示，同一方向上导热率在样品各处保持一致，这表明测得的高导热率来自晶格本征行为，不是偶然现象。

K | 17米级超大直径盾构机的系统集成更复杂，制造难度、施工难度和风险系数也呈几何式增长。         θ-TaN 的优越导热性能与其特殊的晶体结构密切相关。         在微观层面，固体材料的导热由两类载体承担：一是自由电子的定向流动，二是晶格原子的集体振动。

L | 后者在量子力学框架下被定义为声子（phonon），类比电子传递电流，声子则在晶体里传递热量。     　　更大考验来自黄河本身。黄河济南段是典型的“地上悬河”，地质复杂如“满是核桃的粘糕”。         在铜、铝、银等常规金属中，热传导主要由自由电子承担，但电子与声子的相互作用反而会消耗上述两条通道的输运能力；再者，其内部活跃的声子-声子散射会进一步削弱导热。但 θ-TaN 的特殊之处在于，其声子-声子的相互作用极弱，电子也几乎不与声子交换能量，同时把两条散射通道都堵上了。“这就既要防‘粘牙’，又要防卡泵、损刀具。”面对这些世界级难题，“山河号”搭载的“五官一脑”智能化装备系统，不仅“看得远”“听得清”;更“有知觉”“会号脉”，轻松实现全流程感知、预警和智能决策。         此外，钽元素的一个自然属性又提供了第三重加成。声子在晶格中传播时，如果遇到质量不一致的原子，也会发生散射，影响导热。     　　此外，为守护市民“大水缸”鹊山水库，项目团队还首创“絮凝+提浓+压滤”泥浆处理工艺，实现尾水零外排，每日泥浆处理效率提高50%，滤饼的含水率降低至30%以下，达成效率与环保的双赢。     　　据悉，该工程先后攻克28项技术难题，申报专利22件，创造17米级盾构施工世界纪录。正是这些硬核科技，支撑起“世界最大”的底气。但钽几乎是单一同位素元素，天然钽中 ¹⁸¹Ta 同位素的丰度高达 99.988%，原子质量差异导致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。

M |      　　从桥梁到隧道，跨黄方式持续升级      　　穿城而过的黄河，曾是济南的“成长烦恼”。         这些特性让热量可在 θ-TaN 晶格中以罕见的低阻尼状态传输，接近“晶格对热运动透明”的理论极限。南依泰山余脉，北临黄河，过去很长一段时间，济南因城市空间被夹在山与河之间，伸展不开手脚。

N |      　　为打通南北发展脉络，济南持续布局跨黄通道。20世纪80年代，济南黄河大桥建成通车，结束了黄河两岸靠摆渡过河的历史。         以金属之躯，达到金刚石级别的导热性能          需要注意的是，θ-TaN 只打破了金属材料维持一百多年的导热率纪录，还有导热性能更好的非金属材料，比如金刚石（俗称钻石）。此后几十年间，济阳黄河大桥、建邦黄河大桥、齐河黄河大桥相继落成，一座座桥梁如巨龙横卧黄河之上。

o |          天然金刚石的导热率可达 1,500~2,200 W/m·K，超纯合成金刚石可达 3,000 W/m·K。     　　然而，桥梁受限于通航净空、防洪要求和环境影响，桥位选择越来越难，建设成本也越来越高。

p | 目前，工业上已在探索用化学气相沉积（CVD）金刚石薄膜作为热扩散层，直接键合至逻辑计算芯片的背面，用于台积电 CoWoS 等 2.5D/3D 先进封装。         图 | 单晶 CVD 金刚石薄膜（来源：WikiPedia）          但金刚石有三个显著短板：生长速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金刚石是电绝缘体，加入电气路径时需要多一道工艺；最后，作为已知最硬的材料，对金刚石进行切割、抛光、打孔都极其困难，与硅工艺的兼容性偏弱。         面对这些劣势，θ-TaN 的金属属性，及其与现有芯片封装工艺天然亲和，让它有望成为比金刚石更优的选择。         首先，氮化钽薄膜本身就是集成电路制造中常用的扩散阻挡层材料，目前的铜互连工艺广泛使用氮化钽作为衬垫。在黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略下，建设者又给出了一项新“选择”。“与修建桥梁相比，隧道可以‘悄悄’从河底钻过，不影响一舟一帆，最大限度保护河道生态与自然景观。”中铁十四局济南黄岗路黄河隧道项目党支部书记薛正生表示。     　　2021年9月，“万里黄河第一隧”济南济泺路黄河隧道通车，超大直径盾构隧道首次穿越地上“悬河”，自此济南开启了穿黄隧道时代。四年后的今天，黄岗路黄河隧道的建成通车，让济南的“跨黄”之路越走越宽。     　　从架桥到钻隧，变的不只是工程方式，济南跨黄通道的“打开方式”也在不断升级。     　　“四桥四隧”成网，黄河渐成“城中河”      　　桥隧通，则产业兴、城市活。黄岗路黄河隧道不只是一条过河通道，更是为城市“解绑”的关键一步。而这样的“解绑”效果，早已在起步区得到印证。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉积，就能无缝衔接现有产线，无需引入额外工艺。     　　数据不会说谎。

q |          此外，它既能充当芯片背面的热扩散层，也可以作为热界面材料（TIM）的高导热填料，甚至有可能在高功率射频器件和电力电子模块中，成为兼具导电与导热功能的一体化互连层，光这一点，就是绝缘的金刚石做不到的。

r | 济南黄河大桥新桥通车一年后日均车流量突破5万辆，过河仅需3分钟;鹊山生态文化区自开园以来已累计接待客流约307万人次……桥隧带来的不仅是物理距离的缩短，还有生活方式的重塑。     　　对于市民而言，变化首先体现在出行成本的断崖式下降。在核研院工作的刘坤良算过一笔账，得益于桥隧免费通行政策，他每年通勤成本能省下7000多元，越来越多市民开始选择“南岸居住、北岸工作”或“北岸安家、南岸消费”的双向生活模式，节假日跨河看演出、品美食也成为新消费趋势。     　　物流效率同样在改写。

s | 在桑梓店街道做物流生意的李涛说，以前从主城区调运产品到起步区需提前一天备货;如今走黄河大桥新桥，1小时内就能送达，物流效率提升30%。交通设施的完善，正成为撬动起步区产业导入与人才集聚的“强引擎”。     　　“它如同强劲的‘输血管’，将人才、资金、技术源源不断输送至黄河北岸。

t | ”薛正生告诉记者。

u | 黄岗路黄河隧道通车后，将进一步促进济南拥河发展，加速黄河两岸经济交流与合作。         不过，团队也指出，受限于产能和制备难度，θ-TaN 短期内不太可能替代铜、铝等块状散热器材料，更现实的应用形态是被置于芯片和散热器之间，充当高导热中间层，功能类似上文提到的 CVD 金刚石薄膜。     　　事实上，黄岗路黄河隧道只是济南“四桥四隧”跨黄通道布局中的关键一环。

v | 向西看，“万里黄河第一隧”济泺路黄河隧道已通车运行;向东望，连接遥墙机场的航天大道黄河隧道正加紧建设，三条世界级大直径盾构隧道，在黄河之下构成了举世罕见的“超级隧道群”。而且，TaN 的 θ 相在常温常压下是亚稳相，未来要进入产业，还需评估其长期热稳定性。         造出 θ-TaN 之后，这项研究更重要的意义或许在于，团队进一步释放了金属材料的导热潜力。     　　如今，这些超级通道，正在深刻改变济南的城市格局。随着“四桥四隧”全部贯通，黄河将真正变成“城中河”，两岸通勤时间将进一步压缩。     　　一条隧道贯通南北，一城格局焕然新生。这不仅是交通格局的重塑，更是城市DNA的改写——从被动“跨黄”到主动“拥黄”，从依水而建到向河而兴。作者：济南日报·爱济南记者：张素芬 通讯员：李福英。论文显示，除了 θ-TaN 之外，氮化钨、磷化钼等过渡金属化合物的电子-声子耦合也偏低。这为行业和学界提了个醒，或许可以对这些物质进行系统性地合成和测量，筛出更多具备高导热性质的金属材料。         参考内容：          https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aeb1142          运营/排版：何晨龙               注：封面/首图由 AI 辅助生成。

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