撰稿|由课题组供稿
近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室黄吉平教授课题组与苏州大学蒋建华教授课题组合作，在可调液固杂化超构材料中揭示了对流传导变换空间拓扑转变机制，可用于极大范围内连续且灵活的热调节。相关成果以“Tunable liquid–solid hybrid thermal metamaterials with a topology transition”为题发表于《美国科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2217068120 (2023)]。
如何操控热流，一直是前沿科技中的核心问题。例如，生物细胞温度调节、电子设备中的冷却和热管理、智能材料中的智能热控制、热隐身以及可再生能源等领域，均包含大量的热流控制问题。黄吉平课题组于2008年率先提出适用于稳态热扩散系统的变换热学理论，在接下来的十几年里，这种可提供前所未有热控能力的热超构材料吸引了巨大的研究兴趣，并被成功推广到其他类型的扩散系统，如颗粒扩散、等离子体输运等。然而，迄今为止，热超构材料的发展大多局限于热传导或具有Onsager互易性的有效热传导，而在真正的材料中，热对流也会发挥着重要作用。在热超构材料中包含对流热传输不仅是必要的，而且对于增大调控热量的范围和能力至关重要。理想情况下，热超构材料应具有同时和独立操纵传导和对流热流的能力。然而，这种热超构材料迄今尚未实现。
图1: 液固杂化热学超构材料。
研究团队通过使用精细设计的多孔结构（图1A）将热对流和热传导集成到一个基于超构材料的设备（“元设备”）中来解决上述挑战。图1B展示了器件的概念示意图。整个设计包括两个层次。首先，通过基本单元的设计，研究团队创建了一种多孔材料，以实现局部热传导和热对流特性的独立控制。在第二个层次上，研究团队使用广义变换热学理论来设计热传导和热对流特性的空间分布，以实现热学超器件的目标功能。考虑稳态热流守恒方程，总热流由传导热流和对流热流组成，传导热流由傅立叶定律主导，而对流热流中的流速由达西定律主导。尽管如此，整个稳态热学控制方程仍然满足坐标变换的形式不变性，因此可以利用变换热学设计影响器件功能的传导、对流的本征参数。这里，影响传导热流的本征参数为材料的热导率分布，而影响对流热流的本征参数为材料对液体的渗透率分布。研究团队选取了巧妙的坐标变换关系，使得超构壳层的参数由原来的随径向分布的函数简化为与半径无关的各向异性参数。将器件设计为传导热流的热屏蔽，同时保证能够聚集对流热流，这样，通过外部液压的控制，才能连续调节核心区域的热流，且不影响当时条件下背景的温度和热流场分布。另一方面，热屏蔽和热聚集功能对应的变换空间的拓扑特性也随对流的主导而发生变化，见图1C。热流放大倍数被定义为器件中心区域的平均总热流与均匀背景中心区域的平均总热流比值，用来表征器件功能（图1D）。
图2: 器件功能模拟结果的表征。
团队赋予超构器件基于变换热学理论计算出的热导率和渗透率的参数分布，并进行有限元模拟表征器件的功能。该器件有三个区域：核心区域、功能壳层区域和背景区域（图1B）。核心区域和背景区域具有均匀且相同的组分，而功能壳层被设计为各向异性的。他们引入了热流放大倍数
定量表征所设计的器件功能。这里，
表示热屏蔽，
表示热聚集。值得注意的是，通过调节外部液压
可以在设计的装置中实现上述不同功能（图2A）。图2B–D显示了有限元模拟如何通过外部液压调节所设计的器件的功能。这些图展示了温度（由颜色分布表示）和总热通量（由红色箭头表示）的分布。为了进行比较，团队在图2E–G中给出了参考系统在与图2B–D相同的外部液压和温度设置下的热通量和温度分布。这些结果证明了杂化热超构材料在热管理中的连续可调谐性和能力。实验结果与仿真结果一致。若
足够大时，热对流占主导，器件将会展示出显著的热聚集效果（图2H）。图2I和J展示了器件核心区域平均液体流速和温度随外部液压的变化关系。可以注意到，当体系对流热流占主导时，整个体系的温度趋向均一，这一结果也说明体系无传导热流。同时，器件的中心区域流速明显大于背景区域的流速。对流热流的定义是
这些物理量依次密度，热容，流速以及温度。若保证器件中心区域和背景的密度，热容以及温度相同，与此同时器件中心区域的流速大于背景区域的流速，那器件中心区域的对流热流大于背景区域的对流热流，总热流也是（传导热流为0）。该模拟结果为实验验证提供了指导。
图3: 器件功能实验结果的表征。
一种可独立调节热导率、渗透率的基本单元被巧妙设计，基于此，团队设计了实验样品，如图3A-C所示，器件核心区域以及背景区域的热导率渗透率为各向同性，超构壳层区域的热导率渗透率径向和切向各向异性，热导率径向小于切向（保证传导热流的屏蔽），渗透率径向大于切向（保证对流热流的聚集）。将装置的两端浸入热水浴与冷水浴，热水浴中的水温和水量由水泵控制，当盛装热水的容器装满时，热水经由样品表面凹槽流过，并最终流入冷水浴。样品表面的流体速度由水泵数量控制，且每个水泵的流量是固定的。当样品表面充满水，且水不流动时，样品呈现出热屏蔽的功能，图3D为实验结果，在保证背景的温度场不被扰动的前提下，保证核心区域的温度一致。此时，
若样品表面的水流动起来，通过滴加着色剂，可以观察到中心区域的流体流速大于背景区域（图3E）。同时，此时整个样品的温度均一（图3F），与上述模拟结果一致，
因此，通过增加外部液压，将器件从热屏蔽功能调整为热聚集功能。
此项工作中，黄吉平团队报告了传导对流耦合热超构材料的首次实验实现，它是通过一种新颖的液固杂化热超构材料设计实现的，其同时支持热对流和热传导两种传热模式。在变换热学最新理论进展的助力之下，团队实现了这种液固杂化热超构材料的设计、制备和实验，并证明了其在控制热流方面的巨大可调谐性。值得注意的是，通过外部控制，该热超构材料实现了从热屏蔽到热聚集的连续切换（反之亦然），并伴随着变换空间中的潜在拓扑转变。通过这样的转变，热流和温度分布能够连续改变。特别地，该研究发现，工作区域中的热流从接近零开始，能够持续调节到一个很大的值。这种连续且显著调节热传输的能力，使得可调液固杂化热超构材料在各种应用中都有价值，例如热幻像和热伪装、电子设备中的冷却和热管理、可持续基础设施、以及智能材料和机器中的智能热控制、等等。此项工作复旦大学物理学系黄吉平教授与苏州大学蒋建华教授为论文的共同通讯作者，复旦大学物理学系博士生金鹏为论文的第一作者，复旦大学物理学系博士生刘晋榕为论文的第二作者。合作者包括中国工程物理研究院研究生院须留钧博士，华东理工大学王骏博士，以及欧阳晓平院士。
论文地址：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217068120
Tunable liquid–solid hybrid thermal metamaterials with a topology transition
Peng Jin, Jinrong Liu, Liujun Xu, Jun Wang, Xiaoping Ouyang, Jian-Hua Jiang, and Jiping Huang
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2217068120 (2023)
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