Nature Reviews Materials综述：改变热传递的热超材料和设备

【研究背景】

传热是支撑能量传输的基本现象，通常由空间温差引起。传热研究的主要关注点是温度和热流管理——将目标加热或冷却到合适的温度；以及能量收集——将热源（如太阳）的热能转换为功能或其他形式的能量。现如今控制热量对于解决诸如全球变暖、能源危机和电子设备加热等问题尤为重要。缓解这些问题需要先进的工具来操纵不同长度尺度上各种形式的热传递。近年来，材料科学和物理学的发展促进了传热研究的复兴。一方面，在传统的加热、冷却和收集能源方面，新的方法正在出现，具有更高的效率、精度、适应性、可调性和紧凑性。另一方面，人们提出了将热作为信息载体，并将其用于通信、探测、反探测和计算的新应用。这些研究成果已成为导电热材料、纳米声子学和远场和近场热辐射管理等研究方向。

【成果简介】

近日，科罗拉多大学李保文教授、斯坦福大学范汕洄教授以及新加坡国立大学仇成伟教授提供了传热控制的统一观点，总结了利用人工结构操纵物理参数和实现前所未有的传热现象的互补范例。本文分三个部分对热流控制的三大类进行了综述。第一部分和第二部分着重讨论了宏观和微观尺度下的热传导和热辐射。第三部分讨论了在传导、辐射和对流中积极引入热源或调整具有多重物理效应的材料参数的努力。最后，作者分析了这一研究领域面临的挑战，探讨了可能的新方向，特别是拓扑热效应、热波和量子热效应。该综述近日以题为“Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices”发表在知名综述Nature Reviews Materials上。

【图文导读】

图一、宏观的导热调控方法

（a）热变换理论及基于相变的热隐身材料的设计。

（b）制备的双层隐身衣由内绝缘壳和外导热壳组成，在不变形的情况下，使其内部不受热辐射的影响。

（c）依赖于温度的变换使得能够制造具有非对称热流行为的器件，例如，如图中所示的热二极管，其在一个方向上传导热量，但在相反方向上隔离热量。

图二、热传导的微观调控方法

（a）一维超晶格中的相干（波浪线）和扩散（直线）声子散射（左）。

（b）二维纳米声子晶体（NPC）中声子输运的三种可能机制是由声子波长λ、声子平均自由路径Λ和NPC周期d（左）之间的关系决定的。

（c）三维NPC以及具有不同孔隙率的三维NPC和体硅的热导率随温度的变化。

（d）柱状结构导热系数降低的三种机制示意图，双柱撑膜（两侧有柱）和单柱撑膜（仅一侧有柱）的导热系数比相同厚度的均匀膜低两个数量级。

图三、远场热辐射调控

（a）传统的黑体热辐射（橙色）和纳米结构控制的热辐射（绿色）。

（b）用于热辐射控制的纳米结构，包括光子晶体、光栅、超材料和多层膜。

（c）超越普朗克定律：在宏观发射器和微观热天线中通过热提取增强吸收截面。

（d）在具有非零化学势μ_γ的半导体中，通过分离电子η_c和空穴η_v的准费米能级，可以获得非平衡热辐射。

（e）非平衡热辐射可以通过时间调制引起的频率跃迁和非线性来实现。

（f）超越基尔霍夫定律：非互易热辐射。在非互易系统中，角光谱吸收率α和发射率ε之间的平衡可能被打破。

（g）白天辐射冷却可以使用在整个太阳光谱上吸收率接近零的材料，并且在8-13 μm光谱范围内具有强发射率。

（h）太阳能热光伏系统：一个中间元件吸收入射的阳光加热，然后根据太阳能电池的带隙产生热辐射。

（i）超越基尔霍夫定律：非互易热辐射。在非互易系统中，角光谱吸收率α和发射率ε之间的平衡可能被打破。

图四、近场热辐射调控

（a）跨度为d或小于峰值热波长λ的真空间隙的近场辐射传热示意图。

（b）在频率-波矢（ω-k）空间上所有可能通道的近场辐射传热的理论极限。

（c）一对间隔为10 nm的SiC平板之间的光子传输概率ξ（ω，k）的图。

（d-h）增强近场辐射传热的平台包括超表面、光子晶体、沟槽、多层膜和通过逆向设计获得的结构。

（i-n）近场传热器件的概念包括热二极管、热晶体管、热调制器、热循环器、近场热光伏、器件和近场正、负发光冰箱。

图五、传热操作的多物理效应

（a）电流会引起焦耳热或珀耳帖冷却。

（b）电场（E）和磁场可以改变某些材料的热导率（κ）和发射率（ε）。

（c）运动物质（通过引入速度场而处于运动状态）可以增强与运动流体接触的固体中的导热性，也可以使运动内部的温度场（以红色表示）处于运动状态。

【结论展望】

传热是一个历史悠久的研究课题。 当前的研究活动主要集中在特定形式上，即一定长度尺度（宏观尺度或纳米尺度）的热传导，辐射或对流，这些活动通常与其他研究领域分开。在本综述中，作者尽力将来自不同方面的零散工作放在同一框架下。基于宏观设计，已经有一些尝试在纳米尺度上实现热隐身。变换理论已被用于处理辐射信号。对流被用来增强和遮蔽传导热。场致相变被广泛应用于各种长度尺度的热传导和热辐射。也有热超材料的理论设计，旨在同时控制传导和辐射热。尽管做出了这些努力，一个巨大的挑战仍然是协同使用不同的方法来实现更复杂和实用的传热控制。大规模纳米工程声子结构的制备是一个难点。热电效应和热效应很少被认为是除了加热和制冷以外的调节传热的潜在方法。建立这样的连接将不仅丰富我们的知识，而且有助于解决许多多尺度和多物理问题，例如电子设备和电池的散热、热光电能量收集和热电温度调节。

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

【工作汇总】

【李保文教授团队相关工作】

1. 基于电介质，提出了自旋声子耦合引起的声子霍尔效应拓扑诠释。Phys. Rev. Lett. 105, 225901 (2010).

2. 证实声子可以通过特定的模型像电子和光子一样被操纵，从而实现可调控的热传输现象。Rev. Mod. Phys. 84, 1045 (2012)

3. 总结了热超材料的功能与特性。Natl Sci. Rev. 5, 138–141 (2018).

4. 总结二维材料中声子热输运研究在理论建立和实验实现方面的进展以及潜在的挑战。Rev. Mod. Phys. 90, 041002 (2018)

5. 探究了复杂网络中的热虹吸现象以及热/电传导特性。Natl. Sci. Rev. 7, 270-277 (2020)

【范汕洄教授团队相关工作】

6. 利用多层光子结构，构建了一种可用于日间被动辐射制冷的器件。Nature 515, 540-544 (2014)

7. 利用超表面，强化近场辐射换热。Phys. Rev. Lett. 118, 203901 (2017)

8. 探究了从流出的热辐射中获取能量的热力学极限。Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, E3609–E3615 (2018).

9. 探究了同时实现太阳能加了与天空辐射制冷能量交换的热力学极限。Light Sci. Appl. 9, 68 (2020).

10. 利用时间调制的发射率实现光子辐射制冷。Phys. Rev. Lett. 124, 077402 (2020).

【仇成伟教授团队相关工作】

11. 提出了一种双层热隐身斗篷结构，提供了一种结构简单且各向同性的热超材料器件设计方法。Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014)

12. 设计了一种热伪装与热隐身灵活切换结构，可以使目标物体在任意方位呈现出预先设计的热信号。 Adv. Mater. 26, 1731-1734 (2014)

13. 利用双层结构，提出并设计了一种用于多物理场调控的超材料器件，并实现了热场与直流电场的隐身与集中功能。Adv. Mater. 27, 7752-7758 (2015).

14. 提出了一种利用结构热表面对特定环境下下的外部物体进行辐射伪装的设计方案。Nat. Commun. 9, 273 (2018)

15. 提出了一种任意参数全向的热超材料设计方案，并用来设计任意各向异性结构器件。Adv. Mater. 30, 1804019 (2018)

16. 利用区域变换的方式，实现热源伪装Adv. Mater. 30, 1707237 (2018)与加密热打印Adv. Mater. 31, 1807849 (2019)。

17. 利用极端对流条件，提出了一种热学类零材料，并实现了等效无穷大热导率。Nat. Mater. 18, 48 (2019).

18. 利用旋转系统，将传统的传热研究与非厄密物理联系起来，并观测到了热学中的反宇称-时间对称现象。Science 364, 170–173 (2019)

19. 利用转动固体环，实现了一种热对流超材料器件，并获得了可实时调节的各向同性等效热导率。Adv. Mater. 32, 2003823 (2020)

20. 引入转动流体，提出了一种动态热超材料，并实现了等效热导率与各向异性程度的任意切换。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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