現(xiàn)如今控制熱量對(duì)于解決諸如全球變暖、能源危機(jī)和電子設(shè)備加熱等問(wèn)題尤為重要。緩解這些問(wèn)題需要先進(jìn)的工具來(lái)操縱不同長(zhǎng)度尺度上各種形式的熱傳遞。
傳熱是支撐能量傳輸?shù)幕粳F(xiàn)象，通常由空間溫差引起。傳熱研究的主要關(guān)注點(diǎn)是溫度和熱流管理——將目標(biāo)加熱或冷卻到合適的溫度；以及能量收集——將熱源（如太陽(yáng)）的熱能轉(zhuǎn)換為功能或其他形式的能量。現(xiàn)如今控制熱量對(duì)于解決諸如全球變暖、能源危機(jī)和電子設(shè)備加熱等問(wèn)題尤為重要。緩解這些問(wèn)題需要先進(jìn)的工具來(lái)操縱不同長(zhǎng)度尺度上各種形式的熱傳遞。近年來(lái)，材料科學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了傳熱研究的復(fù)興。一方面，在傳統(tǒng)的加熱、冷卻和收集能源方面，新的方法正在出現(xiàn)，具有更高的效率、精度、適應(yīng)性、可調(diào)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(cè)、反探測(cè)和計(jì)算的新應(yīng)用。這些研究成果已成為導(dǎo)電熱材料、納米聲子學(xué)和遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)熱輻射管理等研究方向。近日，科羅拉多大學(xué)李保文教授、斯坦福大學(xué)范汕洄教授以及新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授提供了傳熱控制的統(tǒng)一觀點(diǎn)，總結(jié)了利用人工結(jié)構(gòu)操縱物理參數(shù)和實(shí)現(xiàn)前所未有的傳熱現(xiàn)象的互補(bǔ)范例。本文分三個(gè)部分對(duì)熱流控制的三大類進(jìn)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(dǎo)和熱輻射。第三部分討論了在傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流中積極引入熱源或調(diào)整具有多重物理效應(yīng)的材料參數(shù)的努力。最后，作者分析了這一研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，探討了可能的新方向，特別是拓?fù)錈嵝?yīng)、熱波和量子熱效應(yīng)。該綜述近日以題為“Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices”發(fā)表在知名綜述Nature Reviews Materials上。
（a）熱變換理論及基于相變的熱隱身材料的設(shè)計(jì)。（b）制備的雙層隱身衣由內(nèi)絕緣殼和外導(dǎo)熱殼組成，在不變形的情況下，使其內(nèi)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(duì)稱熱流行為的器件，例如，如圖中所示的熱二極管，其在一個(gè)方向上傳導(dǎo)熱量，但在相反方向上隔離熱量。
（a）一維超晶格中的相干（波浪線）和擴(kuò)散（直線）聲子散射（左）。（b）二維納米聲子晶體（NPC）中聲子輸運(yùn)的三種可能機(jī)制是由聲子波長(zhǎng)λ、聲子平均自由路徑Λ和NPC周期d（左）之間的關(guān)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(dǎo)率隨溫度的變化。（d）柱狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)降低的三種機(jī)制示意圖，雙柱撐膜（兩側(cè)有柱）和單柱撐膜（僅一側(cè)有柱）的導(dǎo)熱系數(shù)比相同厚度的均勻膜低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖三、遠(yuǎn)場(chǎng)熱輻射調(diào)控
（a）傳統(tǒng)的黑體熱輻射（橙色）和納米結(jié)構(gòu)控制的熱輻射（綠色）。（b）用于熱輻射控制的納米結(jié)構(gòu)，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(fā)射器和微觀熱天線中通過(guò)熱提取增強(qiáng)吸收截面。（d）在具有非零化學(xué)勢(shì)μγ的半導(dǎo)體中，通過(guò)分離電子ηc和空穴ηv的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，可以獲得非平衡熱輻射。（e）非平衡熱輻射可以通過(guò)時(shí)間調(diào)制引起的頻率躍遷和非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)。（f）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統(tǒng)中，角光譜吸收率α和發(fā)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(gè)太陽(yáng)光譜上吸收率接近零的材料，并且在8-13 μm光譜范圍內(nèi)具有強(qiáng)發(fā)射率。（h）太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)：一個(gè)中間元件吸收入射的陽(yáng)光加熱，然后根據(jù)太陽(yáng)能電池的帶隙產(chǎn)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(tǒng)中，角光譜吸收率α和發(fā)射率ε之間的平衡可能被打破。
（a）跨度為d或小于峰值熱波長(zhǎng)λ的真空間隙的近場(chǎng)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(chǎng)輻射傳熱的理論極限。（c）一對(duì)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(qiáng)近場(chǎng)輻射傳熱的平臺(tái)包括超表面、光子晶體、溝槽、多層膜和通過(guò)逆向設(shè)計(jì)獲得的結(jié)構(gòu)。（i-n）近場(chǎng)傳熱器件的概念包括熱二極管、熱晶體管、熱調(diào)制器、熱循環(huán)器、近場(chǎng)熱光伏、器件和近場(chǎng)正、負(fù)發(fā)光冰箱。
（b）電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)可以改變某些材料的熱導(dǎo)率（κ）和發(fā)射率（ε）。（c）運(yùn)動(dòng)物質(zhì)（通過(guò)引入速度場(chǎng)而處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）可以增強(qiáng)與運(yùn)動(dòng)流體接觸的固體中的導(dǎo)熱性，也可以使運(yùn)動(dòng)內(nèi)部的溫度場(chǎng)（以紅色表示）處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。傳熱是一個(gè)歷史悠久的研究課題。當(dāng)前的研究活動(dòng)主要集中在特定形式上，即一定長(zhǎng)度尺度（宏觀尺度或納米尺度）的熱傳導(dǎo)，輻射或?qū)α?，這些活動(dòng)通常與其他研究領(lǐng)域分開(kāi)。在本綜述中，作者盡力將來(lái)自不同方面的零散工作放在同一框架下?；诤暧^設(shè)計(jì)，已經(jīng)有一些嘗試在納米尺度上實(shí)現(xiàn)熱隱身。變換理論已被用于處理輻射信號(hào)。對(duì)流被用來(lái)增強(qiáng)和遮蔽傳導(dǎo)熱。場(chǎng)致相變被廣泛應(yīng)用于各種長(zhǎng)度尺度的熱傳導(dǎo)和熱輻射。也有熱超材料的理論設(shè)計(jì)，旨在同時(shí)控制傳導(dǎo)和輻射熱。盡管做出了這些努力，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)仍然是協(xié)同使用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜和實(shí)用的傳熱控制。大規(guī)模納米工程聲子結(jié)構(gòu)的制備是一個(gè)難點(diǎn)。熱電效應(yīng)和熱效應(yīng)很少被認(rèn)為是除了加熱和制冷以外的調(diào)節(jié)傳熱的潛在方法。建立這樣的連接將不僅豐富我們的知識(shí)，而且有助于解決許多多尺度和多物理問(wèn)題，例如電子設(shè)備和電池的散熱、熱光電能量收集和熱電溫度調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)鏈接：Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices (Nature Reviews Materials 2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00283-2)
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