导读
近日，华中科技大学罗小兵教授课题组与日本东京大学Junichiro Shiomi教授、新加坡国立大学仇成伟教授合作，在极限热流操控和热超材料方面取得重要进展。他们基于前期合作基础（Adv. Mater. 30, 1707237, 2018），设计了各向异性的导热系数张量，实现了热流延某一方向进行定向热传导，并通过数值模拟和红外实验加以验证，进而发展了区域变换热学方法，能够在各个子区域单独进行幻象热学设计，操控热流实现整个英文字母表的热幻象。该方法不仅可以实现字母表的热打印，还可以打印图像、制作动画、显示加密红外信息等，为热超材料功能器件提供了新思路。相关工作以《Encrypted thermal printing with regionalization transformation》发表在杂志Advanced Materials上。
基于扩散形式的热传导是我们日常生活中常见的现象，不过长期以来由于热传导的控制方程具有拉普拉斯方程形式，导致热流被认为无法像波动方程控制的电磁波一样进行人为调控。事实上，定向热流操控一旦实现，可以在电子器件热管理、能量输运和转化、低品位热能收集等领域发挥重要作用，因此长期以来吸引了国内外研究者的广泛关注和研究兴趣。自热超材料诞生以来，有关热流操控的研究如雨后春笋般蓬勃发展，先后实现了热隐身、热聚集、热旋转、热幻象、热伪装、热编码等功能，令人耳目一新。然而这些功能其实都是光学超材料、声学超材料等领域的相关功能器件的拓展和延续，是否可以实现热学领域唯一而其他领域没有的新型功能和器件呢？
研究人员首先基于幻象热学方法，将热源的热幻象位置设计在靠近一个矩形区域的某一边界上，得到了各向异性导热系数张量。数值模拟和红外实现发现，当热源工作时，热量沿着这个边界进行传导，而不是全向热扩散。进而，研究人员发展了区域变换方法，即将整个空间划分成任意形状的子区域，各个子区域间并不互连，每个子区域中具有唯一的热源和单独的幻象热学设计，实现各自独立的热流操控。据此，研究人员实现了整个英文字母表的热幻象打印，根据英文字母笔画规律，研究人员对某些字母还提出了一步法和两步法来简化设计。有趣的是，该区域变换方法不仅可以打印字母表，还可以打印图像、制作动画、显示加密红外信息等。与传统结构相比，该方法设计的热功能器件在热源不工作时完全隐藏了信息，在热源工作时借助红外相机方可读取隐藏的信息，具有一定的信息加密功能。
图一：区域变换设计示意图。
(a) 幻象热学中的坐标变换，虚空间中矩形PQMN变换到实空间矩形P’Q’M’N’。(b-c) 延某一边界和特定方向的定向热传导模拟效果图，将其作为基本笔画单元用于后续设计。(d-e) 字母E的设计结构和模拟效果。(f-g) 两步法的设计过程示意图和字母M的模拟效果。
图二：字母表和图形的热打印模拟图。
(a) 整个字母表的热幻象打印。(b-c) 由图1b所示的基本笔画单元组成的华科缩写HUST的器件结构示意图，红色箭头代表热流沿着紫色三角形区域边界进行传导。(c-e) 三角形、平行四边形和箭头图形的热幻象打印。
图三：区域变换的优势验证。
(a) 采用常见材料设计的字母T及热对应的温度场，可以看出在热源不工作时也可根据材料区别看出字母T，而且温度场中显示的字母T的轮廓模糊，无法辨认。 (b-c) 区域变换方法设计的字母T及对应的温度场，可以看出在热源不工作时完全看不出字母信息，当热源工作时字母T轮廓清晰可认。(d-f) 图1b中的基本笔画单元的红外实验示意图和结果图对比，发现热流沿着设计的边界传导。
图四：“贪吃蛇”动画的热打印。
(a) 由5×5个基本笔画单元组成的动画区域，其中红色箭头代表热流方向，每个基本笔画单元中的热源可以根据预设的“贪吃蛇”走向来切换开启和关闭状态，时间延迟为10秒。 (b-e) 不同时刻的“贪吃蛇”红外动画截图。前40秒，“贪吃蛇”只变长，之后通过关闭尾部基本笔画单元的热源来保持其长度进行运动。
文章链接
Run Hu, Shiyao Huang, Meng Wang, Xiaobing Luo, Junichiro Shiomi, and Cheng-Wei Qiu, “Encrypted thermal printing with regionalization transformation”, Adv. Mater. 1807849, 2019.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201807849
参考文献
[1] Run Hu, Shuling Zhou, Ying Li, Dang-Yuan Lei, Xiaobing Luo and Cheng-Wei Qiu, Illusion thermotics, Advanced Materials, 30, 1707237, 2018.
[2] Run Hu, Shiyao Huang, Meng Wang, Liliang Zhou, Xiayao Peng, and Xiaobing Luo, Binary thermal encoding by energy shielding and harvesting units, Physical Review Applied, 10, 054032, 2018.
[3] Shuling Zhou, Run Hu, Xiaobing Luo, Thermal illusion with twinborn-like heat signatures, International Journal of Heat and Mass Transfer, 127, 607-613, 2018.
[4] Liliang Zhou, Shiyao Huang, Meng Wang, Run Hu, Xiaobing Luo, While rotating while cloaking, Physics Letters A, 383, 759-763, 2019.
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