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熱超構材料巧引熱流，織就“隱身衣”，工業應用領域還有待發掘

文章來源：賢集網更新時間：2023-04-18 16:20:16

伴隨著紅外探測技術的不斷演進，紅外隱身技術的發展也步入快車道。然而在很長一段時間內，受限于材料本身的物理性質，人們還是采用降低溫度、改進設計、借助涂層等傳統方法來減少紅外輻射。直到2008年，超構材料的概念及相關研究拓展到熱學領域，才為熱隱身裝置的選材提供了一個全新的方向——熱超構材料。

科學家們曾經發現能源消耗之后有很大一部分轉化成熱能。由于難以利用，這部分熱能常被看作廢能。于是如果能把浪費掉的巨大熱能利用起來，將大大緩解能源危機問題。而熱超構材料具有非常規等效物理參數，呈現出天然材料所難以實現的超常物理性質，能很好解決熱能高效利用的問題。

發展至今，熱超構材料雖然還處于實驗階段，卻已模擬驗證了限制條件下的熱隱身，理論預言了熱偽裝以及熱幻象等熱流控制功能。今天，就讓我們一起走近熱超構材料，了解它是如何通過對熱流的巧妙編織，實現熱學領域的各種奇妙偽裝的。

關于熱超構材料

熱超構材料是具有人工結構的材料或器件，其以新穎的方式控制熱傳導、對流和輻射，實現自然材料所不能實現的性質或功能。變換熱學理論是指基于兩種不同空間之間的坐標變換而實現的一種把空間幾何結構參數精確耦合進熱導率等熱學物理量的一種理論方法，該方法使得利用人工幾何結構對熱輸運進行精確調控成為可能。自由操控熱流一直是人類的一個夢想，熱超構材料正是為此目的應運而生，其正起源于變換熱學理論及其擴展理論(即“理論熱學”)。

能源消耗之后有很大一部分轉化成熱能。由于難以利用，這部分熱能常被看作廢能。如果能把浪費掉的巨大熱能利用起來，將大大緩解能源危機問題。而熱超構材料具有非常規等效物理參數，呈現出天然材料所難以實現的超常物理性質，能很好解決熱能高效利用的問題。

從“光隱身”到“熱隱身”

談起冷熱，大家并不陌生。寒來暑往、春嵐秋風，都涉及熱量的變化流動。但在長期以來的固有印象中，“熱”都是作為一種感受而出現，與事物的表里溫度緊緊聯系在一起。

隨著科技發展，人類從雨雪風霜、電閃雷鳴等自然現象中發現了能量，并逐漸發明出“馴化”這些能量的神奇工具。這其中就包括超構材料。簡單來說，超構材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。這種結構材料的物理性質由材料幾何特性決定，并不只受材料本身特性影響。如果把普通材料比作一條紙帶，那超構材料則是將這條紙帶扭轉對接成莫比烏斯環，從而具備迥異的物理特性。

20世紀90年代，超構材料首先在電磁學和光學領域蓬勃發展，實驗呈現出光學負折射等新奇現象，也為真正意義上的光學隱身提供了理論基礎。這就好比《哈利·波特》里那頂神奇的“隱身斗篷”，超構材料利用自身特殊的復合結構或復合材料即可實現隱身遁形，觀者就像被施了“障眼法”一般。

后來，有學者把超構材料的概念拓展到了聲學、彈性波，甚至力學領域。但無論是光學、電磁學還是聲學、力學領域，對超構材料的研究都基于一個共同理論基礎：傳播方式由波動方程（用來描述自然界中各種波動現象，如聲波、水波、光波等）主導。研究和操控波動方程，即可設計出具有隱身功能的光學和聲學超構材料，這也讓“裁虹剪霓、披霞為衣”的美麗傳說開始走進現實。

而在熱學領域，熱傳導需要滿足擴散方程（用來研究氣體的擴散、液體的擴散、半導體材料中雜質擴散等問題）。擴散方程與波動方程的物理機制迥異，想將超構材料由光學擴展到熱學領域，相當于僅憑借物體本身特殊的復合結構或復合材料，就看不到它的形貌，還測不準它的溫度；又或者說，相當于不僅給物體披上一件“光隱身斗篷”，還要披上一件“熱隱身斗篷”。這就更加難上加難了。

直到2008年，復旦大學黃吉平教授課題組首次利用變換熱學理論，設計出一類熱超構材料，從理論上預言了熱隱身等新奇的熱學性質，為人工控制熱流提供了一條全新的道路。此后，熱隱身和熱超構材料受到了各國科研人員的廣泛關注。專家學者們不斷制備出各種具有新奇熱學性質的熱超構材料，探索著實現熱隱身的途徑。

雖然超構材料在熱學領域起步較晚，但擴散方程的獨特物理性質，讓其具備了獨特的發展優勢。以光學超構材料為例，基于波動方程的光學變換理論在實現上需要考慮頻率，目前研制的光學超構材料往往應用于某單一或狹窄頻段，呈現出來的光學隱身效果并不具備普遍適用性。而基于熱傳導方程的熱超構材料則不存在頻率問題，具有更強的適用性，在足夠寬泛的邊界條件中都可以表現良好，一旦實踐投產，在生產生活中的實用價值將更加凸顯。

隱蔽熱流，堵不如疏

熱學偽裝常規做法是平衡目標與背景之間的熱輻射，最理想情況就是讓目標的紅外特征完全融合到背景中。

從理論基礎上來看，傳統熱偽裝很難實現真正意義上的熱隱身效果。遇到溫差變化大的復雜環境，依靠熱遮蓋和熱絕緣固化了的紅外特征，反而還會暴露自身位置。相較于“堵住”熱輻射的傳統方法，熱超構材料將功夫花到“疏導”熱流上，展現出更加廣闊的效能前景。

與相對成熟的光學或電磁隱身裝置類似，目前制備熱超構材料的主要手段，都是通過整合不同材料來實現熱導率梯度的。由于變換熱學理論對材質在不同方向上呈現的性質差異要求很高，使得實驗驗證“熱隱身斗篷”等新奇的熱學器件面臨巨大挑戰。直到2012年，美國科學家才首次制備出真正意義上的“熱隱身斗篷”。而后，科研人員相繼實驗制備出熱隱身衣、熱聚集器和熱旋轉器。

熱隱身衣。相較于傳統隱身裝置，基于熱超構材料引導熱流特性制備的隱身衣，能夠實時引導背景熱流避開被保護的物體，無論隱身區域溫度如何變化，都不會對外界的溫度分布產生絲毫影響。一旦穿上這件熱隱身衣，你在紅外探測視角中就是完全隱身的，在雪地上是一片幽藍，在火場中則是一團火焰，完美復現環境紅外特征。

熱聚集器。引導熱流避開中間區域可以做到熱隱身，而引導熱流向中間區域靠攏就能實現熱聚集。這類裝置可以作為一種非侵入式的熱器件服務于熱電效應，從而提高能量轉化效率。

熱旋轉器。基于同樣的引導熱流原理，熱旋轉器的引導對象由背景換到了核心區域，通過材料設計實現對中心區域熱流的變換引導。從外部觀測中心區域紅外特征，就像整個空間旋轉了一個特定角度，從而出現一類海市蜃樓般的現象。

熱超構材料設計仍面臨三大挑戰

（1）利用變換熱學法設計熱超構材料需采用各向異性材料參數，而常規材料往往不具備，使得實驗制備熱超構材料難度大；

（2）熱超構材料結構形狀受限，以圓形、橢圓形等規則形狀的熱超構材料制備居多，影響了熱超構材料的工程適用性；

（3）采用數值優化方法設計熱超構材料依賴背景溫度場和目標超常熱學屬性，影響了設計的靈活性和熱超構材料的全方位功能性。

（4）因此，如何設計并制備具有自由形狀且全方位功能性的熱超構器件是熱超材料領域亟需解決的難題。

目前，具備穩定特性、真正實現工業化生產的熱超構材料還未面世，但憑借其在理論和實踐層面展現出來的獨特性能和實用前景，我們相信在不久的將來，熱超構材料在高新技術領域的工業應用一定能夠實現。隨著制備工藝的不斷完善和科技水平不斷發展，這一新興材料一定能廣泛地應用到諸多領域，為我們的日常生活帶來驚喜與改變。

文章來源：解放軍報，中國科學報，復旦大學物理系，

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