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游艇会官网李鹰研究员在《Nature Reviews Materials》发表热超构材料与器件综述

发布日期 :2021-04-01    阅读次数 :146

当今社会在能源和信息领域面临的众多挑战都与传热现象密切相关。这包括如何降低制冷和保温等日常需求的能耗,如何对以热形式耗散的废能进行再利用,如何对电子元件进行高效散热,以及如何利用热红外信号进行侦察和检测等等。因此,开发设计新材料和器件以实现对传热过程的智能调控具有重要意义。近年来该方向的研究取得了一系列重要学术成果,涉及物理学、材料学和信息科学等多个学科。近日,游艇会官网的李鹰研究员作为第一作者在国际顶级期刊Nature Reviews MaterialsIF: 71.189)上发表题为《Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices》的综述论文,系统性地介绍讨论了相关工作,并进行了总结和展望。论文合作者包括科罗拉多大学博尔德分校Baowen Li教授、Xu Zheng博士,斯坦福大学Shanhui Fan教授、Wei Li博士、新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授、电子科技大学韩天成教授、和哈尔滨工业大学李佳鑫博士。审稿人高度评价该论文“对热材料科学提供了丰富且深刻的综述”,“无疑将有助于对该领域和其他领域的研究者”。


在不同尺度针对热传导和热辐射的人工结构设计促成了传导热超构材料、纳米声子学、远场和进场热辐射调控等多个活跃的研究领域。但各领域之间相对孤立,该综述采用一种统一的视角对各类传热调控方法进行了介绍,主要着重于人工结构的特殊材料属性和物理性质造成的独特传热效应。

综述主要分为三部分,第一部分讨论热传导调控,分别介绍了宏观尺度的传导热超构材料以及微观尺度的纳米声子晶体和纳米声子超构材料。宏观尺度的热传导表现为一个扩散过程。利用扩散方程在坐标变化下的形式不变性或其近似解析解,传导热超构材料的出现使得该过程中的温度场分布可以被精确设计实现,从而达到热隐身、热聚集和热转向等新奇效果。此外,通过引入材料的温度依赖性,还可以实现宏观热二极管,使热流在正向通过而在反向被截止。微观热传导主要涉及的是声子的传播和散射过程。纳米声子学的发展使得人们可以通过纳米尺度微结构的设计来改变材料的传热属性尤其是热导率。例如,从一维到三维的纳米声子晶体运用了与声子波长相近尺度的周期性微结构,可以获得远低于自然材料的热导率。该效应可能源于声子平均自由程的缩短和声子群速度的降低。另一方面,纳米声子超构材料则运用了如纳米柱、纳米带和纳米管等微结构的局部共振特性。该特性同样可以降低声子群速度和热导率,同时声子干涉和扩散边界散射也可能起作用(图1)。


1. 调控微观热传导:纳米声子晶体和纳米声子超构材料

第二部分讨论热辐射调控,分别介绍了针对远场热辐射的基本性质调控和相关应用,以及针对近场热辐射的增强和调控的主要方法。远场热辐射的主要属性包括极化方向和频谱分布。栅栏结构的碳化硅可以使热辐射具有强烈的方向敏感性。光子晶体和超表面等人工光子结构可以通过引入光子能隙或局部耗散共振实现窄带热发射峰、发射谷,或是通过各向异性引入极化控制。通过调节材料的化学势,可改变热辐射普朗克定律,实现非平衡热辐射。对材料属性的时间调制也可以实现类似效果,甚至使热从较冷物体辐射到较热物体。时间调制、磁光材料或非线性材料也可以打破基尔霍夫定律,使热发射和吸收不平衡,有助于提高太阳能收集的热力学效率。基于上述工具,远场热辐射调控在辐射制冷、热光伏、高效白炽发光领域有重要应用(图2)。近场热辐射指的是亚波长间距的物体之间的辐射传热,其效率可远大于远场辐射传热。研究发现碳化硅、二氧化硅和掺杂硅等材料的表面声子激元和表面等离子激元等表面波可进一步增强近场热辐射效率。另外,可设计超表面和光子晶体等结构来最大化辐射传热效率。近场热辐射调控还能实现辐射热二极管、热晶体管、热环形器等新器件,以及近场热光伏和发光制冷等新效果。


2. 调控远场热辐射:人工光子结构和时间调制等方法及辐射制冷和热光伏等应用

第三部分讨论了主动传热调控的各类方法。主动源的引入可以增强传热调控的灵活性和性能。体现在两方面,一是额外热源(冷源)导致的热效应,二是外场造成的材料热性质的变化。热电效应是前一类的典型代表,其中电流产生的焦耳热是常用的加热手段。热电材料界面上电流通过产生的帕尔贴效应则是一种电制冷效应,同时还可以用来做纳米尺度的热开关、热电整流器和晶体管。卡路里效应是外加电场、磁场或应力时引起的材料放热或吸热现象,通过周期性改变工作条件可以实现高效制冷。外加电场或磁场可以引发二氧化钒等材料的相变,从而改变其热导率和热发射率。外场在钴酸锂、石墨和黑磷等材料中引发的锂化等电化学效应也能显著改变材料热导率,基于该原理在纳米尺度实现了二硫化钼的热开关。热对流既是一种基本的传热形式,也可以被视为一种借助介质移动实现传热调控的主动方法。这一观点下,本文作者2019年发表在Nature Materials上的工作论证了对流场在高速下可等价于一个无穷大热导率的介质,对外部热传导有显著增强的效果。进一步的,作者同年发表在Science上的工作发现了一种对流传热中的对称破缺机制,可以控制对流场中高温区域的移动方式。该工作将量子物理学中非厄米物理的前沿成果与传热过程联系了起来,获得了较大关注,并被多家科技媒体评价为一个突破性的进展。

 

3. 主动传热调控:热电效应、场效应和对流效应

最后,论文提出运用热超构材料及器件进行传热调控的主要挑战是多尺度、多物理场和多种传热形式的协同作用。目前已有一些在微观实现传导热超构材料和多物理热调控的尝试,但还处于起步阶段。文章还展望了拓扑效应、热波效应和量子效应等潜在发展方向。

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41578-021-00283-2

 

 

作者简介:

李鹰,游艇会官网百人计划研究员。主要研究热功能材料与器件、红外热辐射调控及热隐身。在热超构材料、热隐身方向做出了一系列开创性工作。成果以第一作者或通讯作者身份发表在 Science, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Communications, Physical Review Letters, Light: Science & Applications, Advanced Materials等顶尖期刊上。多次获选封面论文、高被引论文及知名科技媒体报道。


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