Adv. Mater.| 对流热超材料：探索高效、定向的类波热传输

撰稿|由课题组供稿

近年来，全球环境污染和能源危机日益严峻。对此，开源和节流成为了应对策略的两方面，即不仅要重视新型能源的研究，同样要重视对于已有能源的高效利用。在自然界中，热能处于能量食物链的最底端，几乎所有高品质能量，诸如光能、电能，最终都会以热的形式向周围环境耗散掉。因此，提升热传输的人为可调控性对于低品质能量收集、缓解能源危机、乃至解决电子产品热死问题以延续摩尔定律都有着深远的意义。

对流热超材料是对流在热传输过程中发挥着主要作用的一类人工结构。在温度场与流速场的耦合下，描述宏观热传导过程的控制方程从抛物线型的傅里叶方程转变为了双曲线型的对流扩散方程，有望揭示本征耗散的传热过程中所具备的类波特性。对流的引入突破了纯导热体系的研究框架，为传热过程的动态调控提供了新方案。近日，浙江大学李鹰、陈红胜教授课题组联合新加坡国立大学仇成伟教授课题组，以对流热超材料为主题，对该领域的研究现状以及未来的发展趋势进行了综述。论文以《Convective Thermal Metamaterials: Exploring High‐Efficiency, Directional, and Wave‐Like Heat Transfer》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202209123）。浙江大学李鹰研究员课题组硕士生居然为第一作者，浙江大学李鹰研究员、陈红胜教授和新加坡国立大学仇成伟教授为共同通讯作者。工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和新加坡教育部资助。

与热传导相比，热对流能带来三种独特的效果。首先，对流的引入能够改变传热效率；其次，对流能够使热量的传递具备方向性；最后，对流能够承载振荡温度场的传播。基于这三种独特的效应，本文将近年来对流热超材料的相关进展分为四个子版块，分别是强化传热、基于多孔介质的热效应、非互易热传输，以及非厄密现象（如图1所示）。

图1 对流热超材料。

• 强化传热

首先我们介绍对流在强化传热热超材料中的相关研究进展。就固体和流体间的传热而言，对流是最有效的换热方式，这一宏观换热过程由著名的牛顿冷却定律所描述。对流分为自然对流，强制对流和混合对流三种。自然对流是由流体内部温度的非均匀性而引起的，是一种非线性变化的物理过程。通过合理运用自然对流所具有的换热效果进行超材料的设计，能够实现装置在无外加能量驱动情况下的被动冷却，规避过高温度所带来的不利影响。然而就换热效果而言，尽管自然对流有着无需外加驱动的有点，但强制对流的强度远大于自然对流。在强化传热的应用层面，通过合理利用对流效果，学者们相继提出了进一步降低了中心温度的热隐身斗篷，以及同时兼具高热阻、良好冷却效果和承重刚度的热超材料结构。

图2 用于冷却的对流热超材料。(a)用于隐身区域温度控制的热超材料。实验装置设定和参数优化过程(顶部)。无隐身器件、传统隐身器件、对流隐身器件之间实验和仿真结果比较(底部)。(b)具备高热阻和强效冷却功能的热超材料。元胞构造(左上)，实验设置（右上），加热时的温度分布(底部)。

此外，近年来学者们成功在材料参数这一理论层面将对流融入进了传导框架内，创造性提出了诸如热学零折射率材料、等效无穷热导率等概念，突破了被自然材料所限制的热导率上限。本方向的先驱工作将光学中的零折射率与传热学中的无穷热导率这两个概念做了类比，通过在自然材料内部施加具有高鲁棒性的强效环流场，实现了能够快速感知外部温度变化的热学零折射率隐身斗篷。基于此，复热导率、连续可调热导率等概念相继提出，有望为未来智能热调控相关技术研究奠定理论和硬件基础。

图3 复热导率和等效无穷热导率。(a)波动系统中的复折射率与扩散系统中的复热导率之间的比较。(b)支持电磁波传输的材料参数与支持热传输的材料参数之间的关系。(c)具有铜质背景的双层热隐身斗篷和热学零折射率斗篷。(d)斗篷可实现的背景材料范围(顶部)。斗篷中心温度随时间的演化图(底部)。

图4 连续可调热导率。(a)传统材料热导率分布图。(b)连续可调的固状对流热伪装器件的结构(左上)、不同转速组合下的互易线(右上)、仿真温度分布图(底部)。(c)可实现散射抵消效应的背景材料热导率范围(上)。相应的散射抵消点(下)。

• 基于多孔介质的热效应

除了强化传热外，对流的引入还促进了具备着其它各种功能的热学超材料的发展，但与此同时，该领域产生了一个重要疑问：变换理论能否适用于对流热超材料的设计。因为虽然对流扩散方程满足应用变换理论所必需的形式不变性，控制不可压缩流体的动量方程——纳维尔-斯托克斯方程，是不满足变换理论所要求的形式不变性的。面对这一难题，用于对流热超材料设计的多孔介质理论应运而生。通过将研究对象的范围缩小为在多孔介质中具有着较小瑞利数以及恒定流速的流体，多孔介质理论将描述流体运动的动量方程从复杂的N-S方程简化为了达西定律，从而使得变换理论可以适用于基于多孔介质的对流热超材料设计中。在此基础上，研究人员提出了诸如波状温度场调制晶体、基于多孔介质的无畸变温度场波导，以及功能可调的混合热器件等多种新颖的对流热超材料。此外，由于多孔介质内部空隙所提供的较大表面积，将之与纳米流相结合，还能设计出具备着强大换热功能的热学器件。

图5 基于多孔介质的对流热超材料。(a)用于波状温度场调制的热学对流扩散晶体。(b)基于多孔介质的热波导。(c)基于多孔介质的功能可调混合热超材料。

• 非互易热效应

在非互易传热方面，对流热超材料也有着广阔的前景。非互易指的是在交换器件的激励源位置和观测点的位置后，系统的响应函数保持不变的物理特性。根据昂萨格-卡西米尔理论，任何同时符合线性、时不变性，微观可逆性这三个条件的介质一定是互易的。从这个观点出发，如果想打破互易性，就必须打破昂萨格-卡西米尔所提出的这三个前提中的一条或者多条。由于热对流在本质上是一种可用于打破传热过程中微观时间反转对称性的外部偏置，因此，学者们开始研究运用热对流实现热学非互易的可能。以此为中心，研究人员们讨论了热学非互易与热二极管的关系，提出了热学拓扑边界态以及热学菲索效应等构想。

图6 基于对流的非互易热超材料。(a)具有不同通道和热源的旋转环上的温度分布情况。(b)非互易的模式分离和角动量偏置示意图。(c)热学边界态示意图。(d)扩散菲索效应概念图。

在此基础上，研究人员提出所谓热对流不局限于实际物质的移动导致的对流，材料参数随时空的变化也能产生等效对流，从而有望带来对流所具备的效果。这一想法最先在电学系统中被用来成功实现了电荷的非互易输运，然而当这一理论被移植到热学超材料的设计中时，却产生了争议。其疑点在于，虽然热量与电荷的传输都属于扩散系统这一范畴，但受制于物质守恒原理，对于热学而言，作为热能载体的物质是无法凭空产生或者消失的。因此，为了实现对物质密度的时空调制，就一定要有物质实体的移动，但是在此情况下，为调制密度而产生的不可避免的物质流就会与随时空变化的参数彼此相消，而无法带来预期的非互易热传输效果。因此，这一课题还有待深入探讨。

图7 基于时空调制的非互易热超材料。(a)超材料平台操控扩散的概念图(电学类比)。扩散流的空间对称和有效空间非对称(顶部)。对宏观材料特性的周期性时空调制(底部)。(b)动态材料在时间调制下的输运过程。非互易电磁波传播，非互易电荷扩散，互易传热(上)。与传热路径相平行和垂直的两种质量运动(底部)。(c)热播二极管的前后向工作模式，以及相应的温度振幅和整流比。(d)热导率和质量密度的时空调制示意图。

• 非厄密效应

除了能够用于控制传热，对流热超材料还能够丰富我们对于传热过程的物理理解。最近，相关学者探索了对流热超材料与非厄密物理之间的关系。在量子物理中，哈密顿量的厄米性是一个关键的假设，它保证了孤立系统中的概率守恒以及特征值的总实谱。然而，与这一重要假设形成鲜明对比的是，自然界中大多数的物理系统是与周围环境耦合的，因此不可忽视其中能量流动、粒子运动和信息交换的存在。出于能够有效描述开放系统的原因，非厄米物理激发了巨大的研究兴趣。在过去很长的一段时间里，非厄密物理的研究主要集中于波动领域，然而长期以来被忽视的一点在于，由于非厄米性和耗散性质密切相关，传热过程也可以用非厄米物理学这一框架来描述。换句话说，波动系统是本征厄米的，而扩散系统是本征非厄米的。基于这一事实，人们对于桥接波动系统和扩散系统的兴趣日益浓厚。与波动系统需要引入非厄米势能不同，反厄米的热扩散系统需要引入波动性。借助对流对温度场的相位调制机理，相关学者基于反向对流的温度场耦合系统研究了热扩散系统的反宇称-时间（APT）对称性，发现了其中的温度场动态局域效应，并启发了高阶奇异点和环绕奇异点拓扑相变等后续研究。

图8 对流在非厄密热学研究中的应用。(a)APT对称的扩散系统。(b)扩散系统中的高阶奇异点。(c)拓扑变换在热扩散系统中的实现。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202209123