在自然界中，热量总是从高温区域流向低温区域，这是傅里叶热传导定律所描述的自然现象。然而，随着材料科学和纳米技术的发展，科学家们已经能够设计出一种新型材料——热超材料（thermal metamaterials），它们能够以非传统的方式操控热流。这些材料展现出了自然界中未曾见过的极端属性，使得一些曾经只存在于科幻小说中的功能变为可能，比如使物体在热环境中“隐形”。热超材料的研究起源于理论电磁学，其核心思想是通过材料的空间分布来实现对场的全方位操控。这种基于变换的思想迅速吸引了广泛关注，并扩展到了电磁学、弹性力学、声学和热学等多个学科。在热学领域，研究人员已经实验性地再现了如热隐身、热旋转、热聚焦等奇异功能。然而，这些研究大多集中在基于变换理论的方法上，直接使用拓扑优化和数据驱动方法来生成全局结构或局部微观结构，以满足特定的边界条件和应用的热梯度方向，但这些方法通常不是全方位适用的。尽管已有研究取得了一定的进展，但如何高效地实现物理上一致的、可制造的、并且良好连接的微观结构，以产生任意几何形状所需的空间分级和高度各向异性的热导率，仍然是一个主要挑战。为了克服理论和实际应用之间的障碍，研究人员需要开发出一种新的、高效的、全方位的热超材料设计和实现方法。在这项研究中，来自伊利诺伊大学香槟分校和丹麦技术大学的科学家们提出了一种创新的分析方法，用于实现复杂的热超材料设备。这种方法基于最优多级层压板（rank-2 laminates）的分析去均质化技术，为任意想象的热操控设备提供了封闭形式的解决方案。研究团队成功地在复杂域中创建了热隐身衣、旋转器和聚焦器，这些设备在性能上接近最优，并且在美学上具有优雅的设计。该研究的成果是通过一种高效的分析去均质化框架实现的，该框架利用具有封闭形式解决方案的分析级联和去均质化技术，将层压板平滑且无缝地映射到任何指定的复杂域，而不严重干扰它们的渐近属性。这种方法的计算成本可以忽略不计，生成的微观结构简洁、平滑、自然连接，并且易于3D打印，显著优于现有的技术方法。
论文链接
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49630-1
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图1 展示了分析框架的基本程序，包括热隐身衣、旋转器和聚焦器的生成过程，以及去均质化技术的步骤，从热导率场κ到微观结构的转换。
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图2 展示了通过分析框架生成的花形热隐身衣，包括κ的特征值κ1和κ2的分布、秩-2层压板的Material A体积分数f1和f2的分布、以及相应的引导向量场e1和e2的分布。
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图3 展示了通过分析框架生成的复杂域热旋转器和聚焦器，包括热旋转器的示意图、不同指定旋转角度下的热旋转器、以及热聚焦器的示意图和不同指定聚焦级别下的热聚焦器。
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图4 展示了3D打印的金属部件，包括热隐身衣、旋转器和聚焦器，以及它们的CAD模型和实验设置。
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图5 展示了实验结果，包括热隐身衣、旋转器和聚焦器在X方向和Y方向应用热流下的实验温度分布，以及模拟与实验温度剖面的比较。
这项研究成功地开发了一种新的分析方法，用于设计和实现具有任意形状的全方位热操控超材料设备。通过这种方法，研究人员能够以极低的计算成本，高效地创造出具有高分辨率、良好连接的微观结构，这些结构不仅在物理上有效，而且在美学上也具有吸引力。实验验证表明，所创建的热隐身衣、旋转器和聚焦器在实际应用中表现出了预期的热操控功能，证明了该方法的实用性和可靠性。这项工作的成果不仅推动了热超材料领域的研究进展，而且为未来在更广泛的应用领域中实现高效、定制化的热管理提供了新的可能性。随着3D打印技术的发展和材料科学的不断进步，我们可以期待这种分析方法将在未来的热超材料设计和制造中发挥重要作用，为实现更加智能和高效的热控制技术铺平道路。
