Nature 子刊：运用表面热超材料进行热辐射伪装

物体向周围环境的热辐射是一种普遍现象。对热辐射的探测或称红外探测，可用于测量物体的表面温度，识别电子线路中的高温发热区域，也可用于观测动物及人类活动。尤其在夜间等环境能见度较差的情况下，是一种十分有效的侦察手段（图1a）。那么，是否有办法对特定物体进行伪装，使其不被红外探测到呢？最近，新加坡国立大学电子与计算机工程系的仇成伟教授在变换热学和热超材料领域实现了重大突破，首次运用特殊的表面热超材料结构实现了在复杂环境中的红外热伪装，相关研究成果以“Structured thermal surface for radiative camouflage”为题发表在期刊 Nature Communications上。

变换热学借鉴于变换光学，是近年来传热研究中蓬勃发展的一个研究领域[1]。变换热学理论巧妙地运用空间变换作为基础，可以实现对热传导温度场的精确调控。基于该理论，众多新奇的热超材料被设计制造出来，广泛应用于热能收集、保温和定向热输运等。尽管如此，目前的热超材料仍无法针对热辐射做出有效的控制。这一现象的主要原因在于，热辐射与物体表面温度紧密相关，其借助电磁波传播 而非热导体，这就与热超材料的应用场景有着本质上的差异。除此之外，传统变换热学理论要求占用一部分背景材料用于做空间变换，而热辐射伪装中对物体背景环境（如地面等）进行改造是不切实际的（图1b-c）。另一方面，针对红外探测，近年来已有一些利用低发射率材料覆盖物体表面的尝试[2]，但这种方法还不能应对更一般的情况：一旦环境中存在其他热源，导致温度不均匀，物体还是会暴露于红外探测之下（图1d）。

图1. a, 红外探测的场景示意图b-c, 传统热超材料的工作原理d, 通过调节发射率进行热辐射伪装e, 运用表面热超材料进行热辐射伪装

研究人员参考变换热学的基本原理，结合热辐射伪装的具体要求，首次设计实现了一种新型的表面热超材料（图1e）。这种热超材料直接放置在背景表面，覆盖于物体上，而不对背景造成任何破坏，但同时又满足了变换热学的原理，因此可以直接实现背景表面温度到热超材料表面温度的一一映射，从而完美地把物体在红外探测下伪装成单纯的背景。研究者提出的方法可以概括为一个“先借后还”系列步骤，一方面从背景中“借”来一小块空间使得构建热超材料成为可能，一方面在做完变换操作后又把空间“还”回去而没有实际占用任何背景区域。更有意思的是，在这一操作之后，热超材料的结构和材料参数变得与背景的材料完全无关了，这使得同样的设备可以运用于各类背景环境，普适性远远超过传统热超材料。

图2. 实验样品照片及实验结构示意图

研究人员通过实验成功制备了这种表面热超材料（图2）并实际验证了上述理论。如图3所示，当在背景上放置某一物体时，通过红外成像技术研究者可以很轻易地观测到物体的形状和位置；但是，当物体上方被表面热超材料覆盖后，仅凭借红外成像已无法辨别整个系统与单纯背景的差异，尽管此时的背景中仍存在着不均匀的温度分布。实验结果和数值模拟还发现，无论哪种背景材料，运用同一设备都能起到很好的伪装效果，这再次证明了研究方法的广泛适用性和鲁棒性。

图3. 左，数值模拟得到的系统温度分布侧视图。由上而下依次为：背景上放置一物体；物体被伪装（超材料采用理想参数）；物体被伪装（超材料采用实际样品结构及参数）。右，实验中红外拍摄得到的温度分布俯视图。由上而下以此为：纯背景；背景上放置一物体；物体被伪装。

1. Han, T. & Qiu, C.-W. Transformation Laplacian metamaterials: recent advances in manipulating thermal and dc fields. J. Opt. 18, 044003 (2016).

2. Xiao, L. et al. Fast Adaptive Thermal Camouflage Based on Flexible VO2/Graphene/CNT Thin Films. Nano Lett. 15, 8365–8370 (2015).

Li, Y., Bai, X., Yang, T., Luo, H. & Qiu, C.-W. Structured thermal surface for radiative camouflage. Nat. Comm. 9, 273 (2018). 

https://www.nature.com/articles/s41467-017-02678-8

作者：李鹰 

责编：Jane Chou