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”为题于2023年1月12日发表于《美国科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2217068120 (2023)]。我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，我系博士生金鹏为论文的第一作者，我系博士生刘晋榕为论文的第二作者。

图1：液固杂化热超构材料。（A）液固杂化热超构材料示意图。（B）原理图。器件实现了传导热流的热屏蔽且对流热流的热聚集。（C）热屏蔽和热聚集之间的切换对应于虚拟空间中的拓扑切换。（D）热流放大系数β可以通过外部液压连续调节。（E）器件工作区中的流体流速和温度随外部液压变化的关系。

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。

此项工作中，黄吉平团队报告了这种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隐身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。

论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217068120