Nature Reviews Materials綜述：改變熱傳遞的熱超材料和設備

【研究背景】

傳熱是支撐能量傳輸的基本現象，通常由空間溫差引起。傳熱研究的主要關注點是溫度和熱流管理——將目標加熱或冷卻到合適的溫度；以及能量收集——將熱源（如太陽）的熱能轉換為功能或其他形式的能量。現如今控制熱量對于解決諸如全球變暖、能源危機和電子設備加熱等問題尤為重要。緩解這些問題需要先進的工具來操縱不同長度尺度上各種形式的熱傳遞。近年來，材料科學和物理學的發展促進了傳熱研究的復興。一方面，在傳統的加熱、冷卻和收集能源方面，新的方法正在出現，具有更高的效率、精度、適應性、可調性和緊湊性。另一方面，人們提出了將熱作為信息載體，并將其用于通信、探測、反探測和計算的新應用。這些研究成果已成為導電熱材料、納米聲子學和遠場和近場熱輻射管理等研究方向。

【成果簡介】

近日，科羅拉多大學李保文教授、斯坦福大學范汕洄教授以及新加坡國立大學仇成偉教授提供了傳熱控制的統一觀點，總結了利用人工結構操縱物理參數和實現前所未有的傳熱現象的互補范例。本文分三個部分對熱流控制的三大類進行了綜述。第一部分和第二部分著重討論了宏觀和微觀尺度下的熱傳導和熱輻射。第三部分討論了在傳導、輻射和對流中積極引入熱源或調整具有多重物理效應的材料參數的努力。最后，作者分析了這一研究領域面臨的挑戰，探討了可能的新方向，特別是拓撲熱效應、熱波和量子熱效應。該綜述近日以題為“Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices”發表在知名綜述Nature Reviews Materials上。

【圖文導讀】

圖一、宏觀的導熱調控方法

（a）熱變換理論及基于相變的熱隱身材料的設計。

（b）制備的雙層隱身衣由內絕緣殼和外導熱殼組成，在不變形的情況下，使其內部不受熱輻射的影響。

（c）依賴于溫度的變換使得能夠制造具有非對稱熱流行為的器件，例如，如圖中所示的熱二極管，其在一個方向上傳導熱量，但在相反方向上隔離熱量。

圖二、熱傳導的微觀調控方法

（a）一維超晶格中的相干（波浪線）和擴散（直線）聲子散射（左）。

（b）二維納米聲子晶體（NPC）中聲子輸運的三種可能機制是由聲子波長λ、聲子平均自由路徑Λ和NPC周期d（左）之間的關系決定的。

（c）三維NPC以及具有不同孔隙率的三維NPC和體硅的熱導率隨溫度的變化。

（d）柱狀結構導熱系數降低的三種機制示意圖，雙柱撐膜（兩側有柱）和單柱撐膜（僅一側有柱）的導熱系數比相同厚度的均勻膜低兩個數量級。

圖三、遠場熱輻射調控

（a）傳統的黑體熱輻射（橙色）和納米結構控制的熱輻射（綠色）。

（b）用于熱輻射控制的納米結構，包括光子晶體、光柵、超材料和多層膜。

（c）超越普朗克定律：在宏觀發射器和微觀熱天線中通過熱提取增強吸收截面。

（d）在具有非零化學勢μ_γ的半導體中，通過分離電子η_c和空穴η_v的準費米能級，可以獲得非平衡熱輻射。

（e）非平衡熱輻射可以通過時間調制引起的頻率躍遷和非線性來實現。

（f）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統中，角光譜吸收率α和發射率ε之間的平衡可能被打破。

（g）白天輻射冷卻可以使用在整個太陽光譜上吸收率接近零的材料，并且在8-13 μm光譜范圍內具有強發射率。

（h）太陽能熱光伏系統：一個中間元件吸收入射的陽光加熱，然后根據太陽能電池的帶隙產生熱輻射。

（i）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統中，角光譜吸收率α和發射率ε之間的平衡可能被打破。

圖四、近場熱輻射調控

（a）跨度為d或小于峰值熱波長λ的真空間隙的近場輻射傳熱示意圖。

（b）在頻率-波矢（ω-k）空間上所有可能通道的近場輻射傳熱的理論極限。

（c）一對間隔為10 nm的SiC平板之間的光子傳輸概率ξ（ω，k）的圖。

（d-h）增強近場輻射傳熱的平臺包括超表面、光子晶體、溝槽、多層膜和通過逆向設計獲得的結構。

（i-n）近場傳熱器件的概念包括熱二極管、熱晶體管、熱調制器、熱循環器、近場熱光伏、器件和近場正、負發光冰箱。

圖五、傳熱操作的多物理效應

（a）電流會引起焦耳熱或珀耳帖冷卻。

（b）電場（E）和磁場可以改變某些材料的熱導率（κ）和發射率（ε）。

（c）運動物質（通過引入速度場而處于運動狀態）可以增強與運動流體接觸的固體中的導熱性，也可以使運動內部的溫度場（以紅色表示）處于運動狀態。

【結論展望】

傳熱是一個歷史悠久的研究課題。 當前的研究活動主要集中在特定形式上，即一定長度尺度（宏觀尺度或納米尺度）的熱傳導，輻射或對流，這些活動通常與其他研究領域分開。在本綜述中，作者盡力將來自不同方面的零散工作放在同一框架下。基于宏觀設計，已經有一些嘗試在納米尺度上實現熱隱身。變換理論已被用于處理輻射信號。對流被用來增強和遮蔽傳導熱。場致相變被廣泛應用于各種長度尺度的熱傳導和熱輻射。也有熱超材料的理論設計，旨在同時控制傳導和輻射熱。盡管做出了這些努力，一個巨大的挑戰仍然是協同使用不同的方法來實現更復雜和實用的傳熱控制。大規模納米工程聲子結構的制備是一個難點。熱電效應和熱效應很少被認為是除了加熱和制冷以外的調節傳熱的潛在方法。建立這樣的連接將不僅豐富我們的知識，而且有助于解決許多多尺度和多物理問題，例如電子設備和電池的散熱、熱光電能量收集和熱電溫度調節。

文獻鏈接：Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices (Nature Reviews Materials 2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00283-2)

【工作匯總】

【李保文教授團隊相關工作】

1. 基于電介質，提出了自旋聲子耦合引起的聲子霍爾效應拓撲詮釋。Phys. Rev. Lett. 105, 225901 (2010).

2. 證實聲子可以通過特定的模型像電子和光子一樣被操縱，從而實現可調控的熱傳輸現象。Rev. Mod. Phys. 84, 1045 (2012)

3. 總結了熱超材料的功能與特性。Natl Sci. Rev. 5, 138–141 (2018).

4. 總結二維材料中聲子熱輸運研究在理論建立和實驗實現方面的進展以及潛在的挑戰。Rev. Mod. Phys. 90, 041002 (2018)

5. 探究了復雜網絡中的熱虹吸現象以及熱/電傳導特性。Natl. Sci. Rev. 7, 270-277 (2020)

【范汕洄教授團隊相關工作】

6. 利用多層光子結構，構建了一種可用于日間被動輻射制冷的器件。Nature 515, 540-544 (2014)

7. 利用超表面，強化近場輻射換熱。Phys. Rev. Lett. 118, 203901 (2017)

8. 探究了從流出的熱輻射中獲取能量的熱力學極限。Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, E3609–E3615 (2018).

9. 探究了同時實現太陽能加了與天空輻射制冷能量交換的熱力學極限。Light Sci. Appl. 9, 68 (2020).

10. 利用時間調制的發射率實現光子輻射制冷。Phys. Rev. Lett. 124, 077402 (2020).

【仇成偉教授團隊相關工作】

11. 提出了一種雙層熱隱身斗篷結構，提供了一種結構簡單且各向同性的熱超材料器件設計方法。Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014)

12. 設計了一種熱偽裝與熱隱身靈活切換結構，可以使目標物體在任意方位呈現出預先設計的熱信號。 Adv. Mater. 26, 1731-1734 (2014)

13. 利用雙層結構，提出并設計了一種用于多物理場調控的超材料器件，并實現了熱場與直流電場的隱身與集中功能。Adv. Mater. 27, 7752-7758 (2015).

14. 提出了一種利用結構熱表面對特定環境下下的外部物體進行輻射偽裝的設計方案。Nat. Commun. 9, 273 (2018)

15. 提出了一種任意參數全向的熱超材料設計方案，并用來設計任意各向異性結構器件。Adv. Mater. 30, 1804019 (2018)

16. 利用區域變換的方式，實現熱源偽裝Adv. Mater. 30, 1707237 (2018)與加密熱打印Adv. Mater. 31, 1807849 (2019)。

17. 利用極端對流條件，提出了一種熱學類零材料，并實現了等效無窮大熱導率。Nat. Mater. 18, 48 (2019).

18. 利用旋轉系統，將傳統的傳熱研究與非厄密物理聯系起來，并觀測到了熱學中的反宇稱-時間對稱現象。Science 364, 170–173 (2019)

19. 利用轉動固體環，實現了一種熱對流超材料器件，并獲得了可實時調節的各向同性等效熱導率。Adv. Mater. 32, 2003823 (2020)

20. 引入轉動流體，提出了一種動態熱超材料，并實現了等效熱導率與各向異性程度的任意切換。Nat. Commun. 11, 1-9 (2020)

1. Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014).

2. Adv. Mater. 26, 1731-1734 (2014).

3. Adv. Mater. 27, 7752-7758 (2015).

4. Phys. Rev. Appl. 11, 044021 (2019).

5. Nat. Mater. 18, 48 (2019).

6. Adv. Mater. 32, 2003823 (2020).

7. Opt. Express 28, 25894-25907 (2020).

本文由大兵哥供稿。

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