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引言

转眼间，2024年即将落下帷幕。在这一年里，热管理领域如同一场无声的革命，悄然推动着科技的浪潮。温度与能量的交织，冷却与传导的平衡，一次次的技术突破，仿佛点燃了未来的希望。每一项创新的背后，都承载着对未来世界的深刻洞察与追求。如今，我们站在这一年的尾声，回望过去热管理领域的前沿研究与应用呈现出前所未有的活跃态势。

回顾2024年，从年初在《Nature》上亮相的“量子霍尔-热导”研究，到年底备受关注的“相变储热材料”突破，一年内全球科研团队涌现出一系列具有突破性的创新成果，如热电制冷、辐射制冷材料、电卡制冷材料、手撕金刚石膜、导热多功能复合材料等。这些技术进展不仅推动了热管理领域的不断演进，也为相关行业的应用带来了新的可能性。

本篇文章将全面回顾2024年度热管理领域在Nature/Science中发表的核心技术文章，从技术突破到应用前景，带您一起走进这一年度热管理的创新世界，解读行业最前沿的技术进展与发展趋势。

那么，这些新兴技术能否在未来的产业化过程中取得突破性应用？它们将如何改变我们对热管理的认知？让我们一同期待并探索这一切。

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量子霍尔效应中的热传导新发现

以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）Ron Aharon Melcer，Moty Heiblum等，在Nature上发文，描述了对块体热导的广泛研究。该文描述了一个广泛的研究体的热传导。在一种新颖“多端”短器件（在10µm尺度）上，从拓扑横向值中，分离了纵向热导，（由于块体的贡献），这主要是通过消除边缘模式的贡献。将纵向热导率(由于体的贡献)从拓扑横向值中分离出来。当磁场远离电导平台中心时，体中的局部态有效地传导热量，而体保持电绝缘。在第一激发态朗道能级上的分数态，如和，以有限的速度在整个高原上传导热量。我们提出了一个理论模型，确定局域状态作为有限热传导的原因，定性地与我们的实验结果一致。

总结：这篇文章的亮点在于通过创新实验方法成功分离了量子霍尔效应中热导的横向和纵向贡献，揭示了局部态在热导中的重要作用。研究不仅深化了对量子霍尔效应中热传导机制的理解，还为未来拓扑材料的热管理应用提供了新的思路。通过该研究，量子热输运的量子化特性得到了实验验证，推动了量子热力学的发展。

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超流体热传输的突破性成像：揭示第二声波传播特性

麻省理工学院 Martin W. Zwierlein教授团队提利用射频光谱(radiofrequency spectroscopy)绘制出温度的局部变化。在超流体转变之上，热量以扩散方式传播，而在转变之下，则观察到了第二声的波状传播特征。在无量纲费米气体的超流区域，第二声扩散有三个贡献：热导率k，剪切粘度h，和从正常超流对流中来的体粘度ζ3。尽管已知对于具有线性色散的纯声子气体，ζ3 =0，但在T=Tc ≳ 0:5范围，正常流体由破坏配对的激发所主导。在这种情况下，所有三个贡献的重要性相似。在这个区域假设ζ3 =0，如参考文献（27）中所做的那样，所得结果是无法被证明的，从第一和第二声扩散单独获得粘度和热导率是不可能的。

链接：热学领域24年开年第一篇Science

总结：该研究通过射频光谱的温度依赖性来实现超流体转变过程中的热传播成像。研究团队观察到，在超流体转变点，热量传播从扩散转变为波状的第二声传播，表明了超流体的独特热力学行为。这一现象不仅为热传导的研究提供了新的技术路径，而且揭示了热传导与密度变化的耦合关系，为理解强相互作用费米气体的流体动力学特性提供了实验数据支持。

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边角模式引领近场辐射换热新突破

美国加州大学伯克利分校的Chris Dames和美国犹他大学Mathieu Francoeur近期针对近场辐射换热(NFRHT)取得最新进展。本文从理论和实验两方面论证了边角模式介导的NFRHT的物理机制，并表明在“双纳米尺度”下，当发射器和接收器的厚度及其间隙间距远小于热光子波长时，它可以主导NFRHT。对于隔100 nm真空间隙的两种共面20 nm厚碳化硅膜，室温下的NFRHT系数预测和测量结果均为830 W/m²K，是隔100 nm真空间隙的两个无限大的碳化硅表面NFRHT系数的5.5倍，考虑到共面膜之间的几何视图因子，NFRHT系数是相应黑体极限的1400倍。这种增强以电磁角模式和电磁边模式为主，占碳化硅膜间NFRHT的81%。

链接：热学领域最新Nature，中国95后学者一作

总结：此次研究首次提出并验证了在“双纳米尺度”下，电磁角模式和边缘模式可以极大增强近场辐射换热。这一发现不仅突破了以往的理解，还为NFRHT在热管理和能量转换领域的应用提供了新的技术路径。在未来，利用这些新型共振模式，NFRHT有望在非接触局部辐射冷却、热管理和能量转换设备中发挥重要作用。

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自驱动电卡制冷系统：突破性进展与高效能实现

上海交通大学钱小石教授课题组结合弛豫铁电高分子材料在电场作用下的电致熵变（电卡效应）和电致伸缩效应，设计与制造了“自驱动”的高分子制冷薄膜系统。本文通过进一步优化各项单体比例，使得目标高分子兼具高“电致熵变”与高“电致伸缩应变”的性能。在66.7 MV/m的电场下，DMP表现出9 K的绝热温变和1.9%的面内应变。得益于显著提升的机-电-热耦合性能，DMP薄膜无需额外的机械驱动力输入，在电场作用下同步产生足够大的空间位移和冷热变化，仅凭自身本征物理效应即组成了完整的热力学循环。

链接：聚焦冷门难题，钱小石团队再发Nature

总结：这项研究展示了一种无需外部驱动的自驱动电卡制冷系统，基于弛豫铁电高分子材料，通过优化机电耦合性能，实现高效、轻量和柔性制冷。该系统在不同工作条件下表现出色，达到目前电卡制冷研究中的最高COP，为未来高精度热管理应用提供了创新解决方案。

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非均匀应变调控硅纳米带导热的创新机制

北京大学工学院杨林研究员与北京大学物理学院高鹏教授、杜进隆工程师及西安交通大学岳圣瀛教授团队提出了实验探究非均匀应力对导热调控的新策略。研究团队通过在自制的悬空微器件上弯曲单个硅纳米带（SiNRs）来诱发非均匀应变场，并利用具有亚纳米分辨率的基于扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术表征局域晶格振动谱，研究结果显示，0.112％/nm应变梯度将导致热导率（κ）显著降低34±5％，这是先前文献中均匀应变下热导率调制结果的3倍以上（图1）。该成果揭示了均匀应力下不存在的，由应变梯度导致的独特声子谱扩展效应及其对导热的反常抑制现象。

链接：2024，热学领域第三篇Nature正刊

总结：这项研究通过在微型器件上弯曲硅纳米带并使用高分辨率的电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，研究团队发现应变梯度导致热导率显著降低，超过了均匀应变情况下的调节效果。研究表明，非均匀应变引发的声子谱扩展效应增强了声子-声子散射率，从而抑制了热导。这一发现为应变工程的应用提供了新的思路，特别是在热电转换器件和功能性热开关器件的设计中，开辟了新的方向。

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应对城市热岛效应的创新辐射冷却解决方案

芝加哥大学徐伯钧团队针对当下全球气温上升用于个人热舒适的辐射冷却纺织品可穿戴织物的开发取得最新进展。该团队通过分子设计开发了一种中红外光谱选择性分层织物(SSHF)，其发射率在大气透射窗口中占主导地位，最大限度地减少了来自周围环境的净热增益。由于纳米微杂化纤维结构的强烈米氏散射，SSHF具有0.97的高太阳光谱反射率。合理的光学设计和纤维纳米制造实现了显著的冷却效果：垂直放置时，SSHF比宽带发射器低2.3°C，水平放置时比环境温度低6.2°C。同时，SSHF还具有出色的耐磨性，包括透气性、耐洗性、耐用性、坚固的机械性能和抗紫外线老化性能。在对个人与环境之间的热传递进行全面分析的基础上，该垂直面纺织品选择性光谱设计引入了一种创新而有效的个人被动降温解决方案，以应对城市热岛效应。当在白天垂直放置在模拟室外城市场景中时，SSHF比太阳反射宽带发射器低2.3°C，并且具有出色的可穿戴性能。

链接：辐射制冷织物登上Science

总结：这项研究开发了一种中红外光谱选择性纺织品（SSHF），有效应对城市热岛效应。通过优化设计，该纺织品能在特定光谱范围内最大限度地减少环境热增益，显著提高冷却效果，比传统宽带辐射冷却织物更具优势。SSHF具有高太阳光谱反射率、良好的耐用性和透气性，适合可穿戴应用，为应对全球气温上升和城市化带来的热舒适问题提供创新解决方案。

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Science | 超乎想象！让夏天不再热

四川大学赵海波团队提出了一种本征光致发光生物质气凝胶，其可见光反射率超过100%，可产生巨大的冷却效果。研究发现，通过荧光和磷光，DNA和明胶聚集成的有序层状气凝胶在可见光区域的太阳加权反射率达到104.0%。在太阳辐照度较高的情况下，冷却效果可使环境温度降低16.0℃。同时，这种气凝胶通过水焊接技术实现了规模化高效生产，具有很高的可修复性、可回收性和可生物降解性，从而完成了一个具有环保意识的生命周期。这种生物质光致发光材料是设计下一代可持续冷却材料的又一工具。

链接：辐射制冷近期连登Science

总结：该研究展示了一种天然的光致发光生物质气凝胶，在VIS区域实现了超过100%的太阳反射率，带来了巨大的辐射冷却效应。此外，这种生物质气凝胶可以通过水焊法大规模高效生产，具有出色的可修复性、可回收性和生物降解性。该研究为开发高性能辐射冷却材料提供了一种不同的方法，有可能导致更环保和可持续的进步。

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拓扑学与非厄米光子学结合的热辐射控制技术

英国曼彻斯特大学（The University of Manchester）Coskun Kocabas团队设计出一种方法来精确控制热排放，这可能会改变热管理和伪装技术。这项工作描述了一种通过在多层涂层中使用拓扑概念来控制热辐射的创新方法。传统的利用超材料来定制热发射的方法由于所需亚波长材料结构的空间分辨率有限以及材料在红外线中的强吸收而受到限制。在这项工作中，展示了一种基于拓扑概念的方法。通过改变多层涂层的单个参数能够控制表面的反射拓扑，并且零反射的临界点是拓扑保护的。亚临界和超临界空间域之间的边界具有近乎统一热发射率的拓扑界面态。

链接：曼彻斯特大学/宾夕法尼亚州立大学合作，Science

总结：这项技术突破了传统超材料的限制，能够通过调整多层涂层参数，控制表面的反射拓扑，形成具有统一热发射率的拓扑界面态。该研究在热管理和伪装技术领域具有广泛应用潜力，并为热光子学的未来发展提供了新的方向。

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热发射极晶体管的热载流子生成机制

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新型多功能复合材料解决电磁干扰与散热问题

北京化工大学张好斌教授团队针对由于传统电磁干扰屏蔽材料的导电性，应用在高度集成的电子产品中应用时存在短路风险的问题开发出一种新型多功能复合材料。为了克服这问题，该团队提出了一种由导电填料作为极板，中间聚合物作为介电层的微电容器结构模型，以开发绝缘电磁干扰屏蔽聚合物复合材料。平板中的电子振荡和介电层中的偶极子极化是电磁波反射和吸收的主要原因。在此指导下，协同的非渗透致密化和介电增强使复合材料具有高电阻率，屏蔽性能和导热性。其绝缘特性允许直接灌封到组装组件之间的缝隙中，以解决电磁兼容性和热积累问题。

链接：北化最新Science，多功能热管理复合材料

总结：这一研究成果为解决高集成电子产品中的电磁兼容性与热管理问题提供了创新方案。通过引入微电容器结构模型，复合材料不仅具备高电阻率、良好的屏蔽性能，还能够有效散热，提升电子器件的稳定性与寿命。

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石墨特斯拉阀在热传导中的整流效果

东京大学Xin Huang，Masahiro Nomura教授团队等，首次在同位素富集的石墨晶体中设计了微米级的特斯拉阀，研究其在热传导中的整流效果。通过在90 nm厚石墨中构造实现特斯拉阀，于45 K温度下，观察到不同流动方向上的热导率存在15.2%的显著差异。研究揭示了声子在固体材料中流动的复杂性，固态声子流动面临动量守恒碰撞缺乏和类液体流动稀少的挑战。

链接：Nature：石墨特斯拉阀热整流

总结：该研究首次将特斯拉阀应用于热传导整流，开辟了热整流研究的新领域。通过揭示声子在固体中的复杂流动行为，研究为微纳米尺度电子设备的热管理提供了创新的思路，为未来的热整流技术发展奠定了基础。

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新型固态自我再生热泵

加州大学洛杉矶分校裴启兵教授课题组发明了一种自我再生热泵（Self-Regenerative Heat Pump, SRHP），充分利用了P(VDF-TrFE-CFE)薄膜的电致伸缩形变，形成与材料的电卡循环天然同步的热传输机制，从而实现高效且紧凑的固态制冷。SRHP由六个单元级联组成，其总厚度小于6mm。每个薄膜组上的背层（backing layer）将薄膜在外部电场下的较大平面膨胀转化为规则的垂直形变和较大的下压力，以便与相邻单元成良好的热接触。当邻近单元被设定为反相工作时，热量可顺畅地从级联制冷器的一端被逐级传输到另一端。

链接：Science：UCLA裴启兵团队开发新型固态自我再生热泵

总结：该研究提出了一种创新的自我再生热泵技术，突破了传统电卡材料在温度变化幅度上的局限性。通过高效的热传输机制和紧凑的设计，SRHP展现了在实际应用中的潜力，尤其是在小型化和高效能制冷系统中的应用前景。该技术的成功为固态制冷设备的进一步发展奠定了基础，尤其在便携式、紧凑型冷却系统中，可能成为未来电子设备、可穿戴设备等领域的关键技术之一。

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亚环境日间辐射冷却技术的创新

中国科学院长春光机所李炜研究员，美国斯坦福大学范汕洄教授和纽约城市大学Andrea Alu教授等人合作展示了在高峰阳光下，使用层次化设计、角度不对称、光谱选择性的热发射器对垂直表面进行亚环境日间辐射冷却。该文展示了一种角向不对称、光谱选择性（AS）热发射器，以在日间高峰阳光下实现垂直表面的亚环境日间辐射冷却。本文的发射器由锯齿状光栅组成，其周期远大于热波长，上面覆盖有紫外线-可见光（UV-VIS）反射红外透明纳米多孔聚乙烯（nanoPE）薄膜。在超过920 W m-2的峰值太阳辐照度下，发射器达到了比环境温度低2.5±0.7°C的温度，以及与具有最先进性能的硅-聚合物混合辐射冷却器和商业白色油漆相比，分别实现了4.3±0.2°C和8.9±0.2°C的温度降低。结果实现了热辐射的角向和光谱控制，并展示了即使在日间高峰阳光下，垂直表面也能达到亚环境日间辐射冷却。这一展示表明了辐射冷却中未开发的机会，并指向了操纵辐射热流的新方向。

链接：“准90后”博导攻克辐射制冷难题，斩获Science顶刊

总结：本研究通过角度和光谱的精确调控，在日间高强度阳光条件下实现了有效的辐射冷却，为热辐射控制技术提供了新的思路和方法。该技术在城市建筑、可再生能源设备及其他高效能需求领域具有广泛的应用潜力。未来，随着材料科学和表面设计技术的进一步发展，该项技术有望在日间高强度太阳辐射条件下，实现更为显著的冷却效果，并推动绿色建筑、节能家居等领域的创新应用

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可穿戴柔性热电制冷新进展

澳大利亚昆士兰科技大学陈志刚教授和史晓磊博士团队等人针对限制柔性无机热电材料在可穿戴电子设备和其他高端冷却应用中的规模化和商业化的问题取得最新研究进展。该团队开发了一种创新且成本效益高的技术支持，该技术整合了溶剂热法、丝网印刷和烧结技术，以生产无机柔性热电薄膜。可印刷薄膜由Bi2Te3基纳米片作为高度取向的晶粒和Te纳米棒作为“纳米粘合剂”，展现出了卓越的热电性能，适用于可印刷薄膜，具有良好的柔韧性、大规模制造能力和低成本。同时，作者构建了一个由可印刷的n型Bi₂Te₃基和p型Bi_0.4Sb_1.6Te₃薄膜组装的柔性热电装置，实现了>3 μW/cm² K²的归一化功率密度，位居丝网印刷设备中的最高水平。此外，这项技术可以扩展到其他无机热电薄膜系统，如Ag₂Se，显示出广泛的适用性。

链接：昆科大Science，可穿戴柔性热电制冷新进展

总结：这项研究成果不仅提升了Bi₂Te₃薄膜的热电性能，也为可穿戴设备和其他高端冷却技术提供了一种可行的解决方案。通过丝网印刷技术，研究团队成功开发出具有高柔韧性、低成本且易于大规模生产的热电薄膜。这一技术的突破，意味着未来柔性热电器件不仅可以广泛应用于可穿戴设备，还能在更广泛的冷却领域中发挥重要作用。

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继石墨烯之后，“手撕”金刚石膜刊登Nature

香港大学褚智勤教授、Yuan Lin教授、北京大学东莞光电研究所Qi Wang教授和南方科技大学李携曦教授证明了使用胶带进行边缘暴露剥离是一种简单、可扩展且可靠的方法，可用于生产超薄和可转移的多晶金刚石膜。该方法可以批量生产大面积（2 英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平（亚纳米表面粗糙度）和超柔性（360° 可弯曲）金刚石膜。这些高质量的膜具有平坦的可加工表面，支持标准的微制造技术，其超柔性特性允许直接进行弹性应变工程和变形传感应用，而笨重的金刚石膜则无法做到这一点。系统的实验和理论研究表明，剥离膜的质量取决于剥离角度和膜厚度，因此可以在最佳操作窗口内稳健地生产出基本完整的金刚石膜。

链接：继石墨烯之后，“手撕”金刚石膜刊登Nature

总结：这一研究成果代表了金刚石材料在电子和光子器件领域的一项重大突破。通过胶带边缘暴露剥离技术，研究团队成功开发出了超薄、超平、超柔性的金刚石薄膜，具备了极强的应用潜力。这些薄膜不仅在电子和光学性能上表现出色，而且具有与现有制造工艺兼容的优势，能够大规模生产并应用于高端电子、光子器件以及传感器等领域。

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高能量密度的固-液相变热能存储材料

澳大利亚蒙纳士大学Douglas R. MacFarlane和Karolina Matuszek团队针对稳定、廉价且能量密度高的热能储存材料开发取得最新进展。本文首次报道了一种“三模态”材料，它通过整合潜热、热化学和显热三种不同的能量储存模式，协同存储大量热能。硼酸和琥珀酸的共晶混合物在约150℃时发生转变，具有高达394±5% J/g的可逆热能吸收记录。本文展示了这一转变涉及硼酸成分的熔化，同时硼酸脱水形成偏硼酸并与水溶解于液体中。偏硼酸保留在液态状态，使其在冷却时容易再水合重新形成硼酸。经过1000个加热-冷却循环后，材料的热稳定性得到了验证。该材料非常廉价、环保且可持续。

链接：Nature，高能量密度的固-液相变热能存储材料

总结：这一研究成果为解决当前能源存储技术的不足提供了一个新的方向。该材料不仅具备高效能量存储能力，而且具备低成本、环保和可持续性，具有巨大的市场潜力。这一技术突破的关键在于材料的独特机制——通过固体-液体相变与化学反应的结合，大幅提升了热能存储的容量和效率。随着这一研究的进展，未来该材料可望在可再生能源、卡诺电池等领域的能源存储系统中得到广泛应用，并为全球能源转型提供强有力的支持。