《自然·通讯》：旋转系统下的动态热超材料- 大数跨境

首页

《自然·通讯》：旋转系统下的动态热超材料

两江科技评论

2020-11-27

导读：近日，新加坡国立大学仇成伟课题组提出了一种连续可调动态热材料，通过旋转单一流体，其等效导热系数与各向异性均可通过转速在近0 ~∞区间内进行连续调节。该工作突破了传统材料的固有限制，并为实时调制系统导热

欢迎课题组投递中文宣传稿，投稿方式见文末

撰稿| 由课题组供稿

导读

导热系数的大范围灵活调控在各类传热控制技术中有着广泛且重大的应用价值。然而，无论是天然的导热材料还是传统的热超材料均只具有固定导热能力（导热系数及各向异性），并极大的制约了热调控技术的发展。近日，新加坡国立大学仇成伟课题组提出了一种连续可调动态热材料，通过旋转单一流体，其等效导热系数与各向异性均可通过转速在近0 ~∞区间内进行连续调节。该工作突破了传统材料的固有限制，简化了传统热超材料的功能切换结构，并为实时调制系统导热能力提供了范例。该工作以《Tunable analog thermal material》为题在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

【链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19909-0】

研究背景

自然界中固有存在的材料仅具有特定的导热系数。因此，任意材料的导热系数仅能看作是所有导热系数集合中的单一且不变的离散数值。通过复合一定比例的不同种类材料，一些“新”导热系数可以通过人工手段等效的获得，并用来满足特定的导热需求。这种“新”导热系数被广泛的应用于传统的热超材料领域，并极大的丰富了传统材料的导热系数选取范围与调控功能。然而，这些“新”导热系数仍只具备离散的数值，即：复合不同比例的材料A（κ_A）与材料B（κ_B）仅能获得相应的具有固定导热系数与各向异性的“新材料”C（κ_eff）。同时，受制于Maxwell-Garnett 混合理论，κ_eff的范围被严格限制在κ_A与κ_B之间。总的来看，无论是天然材料还是传统热超材料，均只能实现固定数值的导热系数以及各向异性。因此，如何在简单结构中实现大范围连续可调的等效导热能力（导热系数与各向异性），是传统热场调控及热超材料领域一直存在的难题。

创新研究

传统热超材料通常可以利用变换光学理论（transformation optics）来获得特定的各向异性导热系数空间分布。然而，这种方法会带来复杂的空间映射、各向异性的材料配置、以及局部参数的奇异性，进而导致复杂的热超材料结构。在早期的研究中，该研究团队利用非空间变换的散射相消方法（scattering and cancellation）首次实验制备了一种双层热隐身衣¹（bilayer thermal cloak）。这种方法有效的避免了空间变换所引起的问题，并仅利用两种各向同性的常规材料实现等效的热隐身功能，从而简化了热超材料结构。随着研究的深入，双层结构超材料被推广到双物理场调控领域^{2, 3}。然而，固定等效导热能力以及调控功能使得常规超材料难以满足日益增长的设计需求。为获得可调制的等效导热系数与功能，研究团队首次将旋转体系引入到传统的固定结构热超材料中，并提出了一系列的动态超材料，例如：利用离散材料元件设计的双元热超器件⁴，极端对流引起的类零折射率的热超材料⁵，以及双层旋转结构的连续可调类固体对流热超器件^{6, 7}。此外，研究团队利用旋转系统将传统的传热研究与非厄密物理关联在一起，并首次观测到了传热的反宇称-时间对称现象⁸。尽管上述研究实现了小范围等效导热系数的切换⁴并突破了等效导热系数极限⁵（图1a），但所获得的等效导热系数仍为单一离散数值且不具备连续可调性质。虽然双层旋转固体结构^{6, 7}可获得等效导热系数的连续可调性，但其仅具有各向同性等效导热系数，这为需要各向异性导热系数的热场灵活操控带来了不便。因此，实现一种结构简单且导热能力（导热系数以及各向异性程度）大范围连续可调的材料仍面临巨大的挑战。

图1 连续可调动态导热材料原理与代表性调制方案。a.传统材料与近零热材料导热系数取值范围；b.连续可调的动态导热材料方案示意图，其核心由双层结构与中心旋转流体区域组成；c ~ f分别表示流体转动速度为0，0.6，3.6，100 rad∙min^-1时的调制现象。

本研究通过旋转中心区域未固化PDMS，提出了一种导热能力（导热系数以及各向异性程度）大范围连续可调的动态热材料。由于旋转流体内部的非均匀流场分布以及流体连续性，在一般转速下流体内部应具有非均匀的温度场分布。这一现象有助于获得各向异性分布的等效导热系数。利用不同的转速配置，流体内部的等效导热系数以及各向异性程度可进行连续调节，从而催生出不同的热场调控方式（图1b）。通过严格求解系统的对流—传热方程，获得了任意转速下各个方向上的等效导热系数。为解决旋转系统引起的边界不匹配与外部温度场扰动的问题^5~7，本研究结合旋转流体对热流的影响，同时提出了适用于旋转体系的双层结构设计方法。基于所提出的等效导热系数与双层结构，研究者们在不同转速下获得了稳定且连续可调的等效导热系数以及各向异性，即：不同的场调控方式（图1c~f）。

这种连续可调的动态导热材料可以通过调制单一流体旋转速度，获得与任意传统各向异性热超材料（图2a）相似的调控现象。这在实现灵活功能切换的同时，又简化了传统超材料复杂的各向异性结构。所获得的各向异性等效导热系数理论上可以随着转速的增加实现从近零（PDMS固有导热系数，0.15 W∙m^-1∙K^-1）到无穷的连续调制（图2b）。进一步，研究者们分析了不同转速下旋转流体边界处的热流偏转（图2e ~ h）。当转速较低时，边界处热流偏角随着转速的增大而逐渐增大；当转速较大且逐渐趋于无穷大时，边界处热流偏角随着转速的增大而逐渐趋近于0。这表明，当转速趋近于无穷大时，流体与双层结构内部边界处的热流偏转程度一致，温度场将呈现出近零的温度梯度。

图2 传统各向异性固体超材料对比温度场与可调动态热材料热流偏角。a ~ c分别展示与图1d ~ f具有相似效应的不同各向异性固体超材料温度场分布；d.可调动态热材料在不同速度下各方向等效导热系数以及与对比固体方案的均方根偏差；e ~ h分别表示图1c ~ f中心流体边界处的热流偏角。

根据上述理论模型，本研究进行了相应的实验验证（图3a）。可调动态热材料系统由3部分组成，即：由高导热系数硅脂制备的背景区域（12 W∙m^-1∙K^-1）；由1010钢（51.9 W·m^-1·K^-1）与低导热系数硅脂（1 W·m^-1·K^-1）制备的双层结构；以及充满未固化PDMS的中心旋转区域。该动态热材料系统结构简单，并且可通过普通转动电机来实现所需的运动功能。红外相机所捕获的热场分布情况（图3b ~ e）与理论预测模型以及数值仿真结果（图1c ~ f）相符。

图3连续可调动态热材料实验装置与温度场分布。a.实验装置示意图；b ~ e分别表示转速为0，0.6，3.6，100 rad∙min^-1的实验温度场分布。

图4通过测量特征线（y = 0），进一步展示了其不同调制速度下的热场调控特征。在双层结构的作用下，外部背景区域的温度场在任意速度下均保持稳定且无温度场扰动。当调制速度为0时，中心旋转PDMS区域具有各向同性的近零导热系数，展现出具有较大温度梯度的均匀温度场分布；当转速增大时，中心流体区域出现温度场扭转效应，当转速达到3.6 rad·min^-1时，流体内部与背景区域的热流方向完全相反；进一步增大转速，由于强对流作用，流体区域温度分布趋于一致且温度梯度趋近于0。此时，可以获得极大的等效导热系数。

图4特征线y = 0上的温度场分布。

总结

该工作提出了一种连续可调动态热材料。通过改变单一流体旋转速度，即可获得大范围可调等效导热系数与各向异性。相关的结果打破了传统材料与热超材料在固有离散参数、固定各性异性、复杂调控结构等方面的局限，丰富了动态热超材料种类，并为高效传热调控提供新的思路。

参考文献

1. Han, T., Bai, X., Gao, D., Thong, J. T. L., Li, B., and Qiu, C.-W. Experimental demonstration of a bilayer thermal cloak. Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014).

2. Han, T., Bai, X., Thong, J. T. L., Li, B., and Qiu, C. W. Full control and manipulation of heat signatures: cloaking, camouflage and thermal metamaterials. Adv. Mater. 26, 1731-1734 (2014).

3. Yang, T., Bai, X., Gao, D., Wu, L., Li, B., Thong, J. T. L., and Qiu, C. W. Invisible sensors: simultaneous sensing and camouflaging in multiphysical fields. Adv. Mater. 27, 7752-7758 (2015).

4. Li, J., Li, Y., Li, T., Wang, W., Li, L., and Qiu, C.-W. Doublet thermal metadevice. Phys. Rev. Appl. 11, 044021 (2019).

5. Li, Y., Zhu, K. J., Peng, Y. G., Li, W., Yang, T., Xu, H. X., Chen, H., Zhu, X. F., Fan, S. and Qiu, C.-W. Thermal meta-device in analogue of zero-index photonics. Nat. Mater. 18, 48 (2019).

6. Li, J., Li, Y., Cao, P. C., Yang, T., Zhu, X. F., Wang, W., and Qiu, C.-W. A continuously tunable solid-like convective thermal metadevice on the reciprocal line. Adv. Mater. 32, 2003823 (2020).

7. Li, J., Li, Y., Wang, W., Li, L., and Qiu, C.-W. Effective medium theory for thermal scattering off rotating structures. Opt. Express 28, 25894-25907 (2020).

8. Li, Y., Peng, Y. G., Han, L., Miri, M. A., Li, W., Xiao, M., Zhu, X. F., Zhao, J., Alù, A., Fan, S., and Qiu, C. W. Anti–parity-time symmetry in diffusive systems. Science 364, 170-173 (2019).