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，提出了一种热损耗辅助的热超构材料，其通过将无用的热损耗转化为有用的调节工具，实现了可重构、零能耗、宽温区的非互易热传递。相关成果以“Reconfigurable, zero-energy, and wide-temperature loss-assisted thermal nonreciprocal metamaterials”为题于2024年10月24日发表于《美国科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121, e2410041121 (2024)]。我系黄吉平教授与我系2022届博士毕业生、现中国工程物理研究院研究生院须留钧研究员为论文的共同通讯作者；我系博士生雷敏为论文的第一作者，合作者还包括我系博士生金鹏和周宇鸿、浙江大学李鹰研究员。

图1:热损耗辅助的热非互易超构材料。(A)常规热非互易的应用场景示意。(B)原理图。在自然材料构成的不对称结构上，引入不对称热损耗，打破了热传导固有的空间反演对称性，实现了可重构的整流比输出，即实现了可调的非互易热传递。(C)热非互易的宽温区适应性。

在多领域的研究中，如何根据需求自由调控热流一直是研究热点，尤其是热非互易现象，即不对称传热，其已成为高效热能管理的重要技术，从基础设施到生物医学领域，应用极其广泛。例如，芯片制造中的高温散热，热电材料中的废热回收，高温治疗中的局部加热，以及建筑中的保温与散热，等等。近年来，热超构材料的迅速发展，为实现热非互易提供了新的技术平台。当前，热非互易超构材料主要有四种工作机制，即：非线性、对流调制、时空调制、梯度分布。然而，现有的热非互易超构材料在实际应用中常常面临三大挑战，即：工作温度范围有限、结构固定(不可调)、能耗高。理想的热非互易超构材料，应该能适用于宽广的温度范围，并可根据实际需求，动态调控其结构，以适用不同的非互易输出需求。同时，为了减少对环境的影响，如何降低能源消耗，也应成为设计过程中的重要考量。

为了解决这些实际应用中的瓶颈，该课题组提出了一种通过热损耗实现热非互易的新方法。在不对称结构中，利用空气对流引发的不对称热损耗，打破了传统热传导的空间反演对称性。虽然能量损失通常被视为不利因素，会影响设备效率与寿命，但这一设计巧妙地将损耗转化为实现非互易的新途径，不仅提升了能源效率，还实现了无需外部能源驱动的全热调控。这种基于自然材料的不对称结构能够通过调整自身结构特性，满足不同需求，实现可重构的非互易输出。这种非互易设计无需消耗额外的有用能量，仅依赖环境温差，便可适用于不同温区。这项研究为非互易设备的设计，提供了新思路——为其他系统中基于损耗的非互易设计，提供了有益的参考。

论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410041121