突破性热伪装技术：9倍热超散射技术实现新进展

实测红外图像显示，一个微小核心能产生与大型物体同等强度的热扰动。

热量是顽固的。与光或声不同，它不以清晰的束流或波的形式传播，难以被工程师用小型设备弯曲、聚焦或隐藏。相反，热量通过扩散缓慢而持续地蔓延，在移动过程中模糊温度分布。这使得控制物体在热感应相机中的呈现方式或它们与热环境的交互变得困难。迄今为止，管理热量的唯一可靠方法依赖于厚重的隔热层、笨重的散热器或大型被动结构。

一项新研究为这一问题提供了解决方案。研究作者展示了一种设备，能使一个小物体在不改变自身的情况下，对热流的扰动强度达到一个半径大九倍的物体的效果。该系统通过沿精心设计的边界主动注入和移除热量，迫使热流环绕物体流动，仿佛该物体比实际尺寸大得多。其结果是一个紧凑的物体留下了远大于其物理尺寸的热"足迹"。科学家称之为"热超散射"。

"这种方法能够突破物理尺寸限制来操控热特征，在热超吸收体/超热源、热伪装和能量管理方面具有潜在应用价值，"研究作者指出。

为何热量如此难以操控？

工程师们已经知道如何利用图案化材料引导稳态热流，这一领域被称为"热学"。其中，一个强大的分支——变换热学，借鉴物理学的数学工具来重塑热量在空间中的扩散方式。科学家不再重新设计物体本身，而是重新设计物体周围的热流路径。如果操作得当，可以使一个外壳外部的温度分布与另一个尺寸或形状完全不同的虚拟物体相匹配。

然而，当研究人员试图将这一想法推向极致时，问题出现了。要让一个小物体表现得像一个更大的物体，数学上要求周围外壳的一部分具有"负热导率"。这种材料将无需外部能量就能将热量从较冷区域驱动到较热区域——这是被动材料不可能实现的（热量从较热区域流向较冷区域，这是热力学的基本规则）。这一要求多年来阻碍了热超散射的实际演示。

使用三个边界解决问题

新研究摒弃了纯被动外壳的想法。相反，研究人员用一种"主动热超表面"——即布设可控加热和冷却元件的边界——替代了这种不可能的材料。

研究团队从一个参考问题入手。在这个理想场景中，一个具有热导率κₐ的大物体位于热导率为κ_b的背景材料中。这个大物体强烈扭曲了周围的温度场。

然后，研究人员设计了一个小得多的物理物体，将其包裹在一个外壳中，并利用数学坐标变换将两种情形联系起来。目标是使选定边界外的温度和热流在两种情况下完全相同。

该变换将三个边界联系在一起：内部物体边界ρ₁(θ)、外壳边界ρ₂(θ)以及代表放大物体表观尺寸的外部"虚拟"边界ρ₃(θ)。它们通过一个简单的关系式关联：ρ₁ρ₃ = ρ₂²。

求解方程后发现，外壳通常需要在不同方向上具有不同的热传导能力，并且随位置变化。更重要的是，负责实现超散射的区域最终需要具有等效的负热导率。

研究人员没有尝试制造这种不可能的外壳，而是保留了一个具有正常、正热导率的外壳，并添加了一个主动边界。沿该边界，他们施加了经过精确计算的热通量模式。

简而言之，边界元件要么注入热量，要么抽走热量，恰好提供了负材料本该具备而缺失的行为。从数学上讲，根据定义的符号约定，所需的边界热源qₛ与法向热通量qₙ的关系为 qₛ = −2qₙ。

由于这些边界元件消耗电能，它们并不违反热力学定律。它们充当了微小的分布式热泵，而非违反物理定律的被动材料。

从方程到工作装置

为了通过实验验证这一想法，研究团队聚焦于一个简单的圆形几何结构和一个超隔热案例——即虚拟物体完全阻挡热流。

实验装置使用铜板作为背景材料。水浴将铜板两端温度分别固定在320 K和287 K，形成稳定的温度梯度。中心放置着一个半径仅为10毫米的小型隔热圆盘。

研究人员在其周围半径30毫米处，布置了一个由10个热电模块组成的环。这些器件可以根据电流方向进行加热或冷却，非常适合进行主动控制。

每个模块覆盖圆环的36°扇形段，近似实现了理论预测的连续边界。让系统稳定约30秒后，团队使用红外相机测量了表面温度。

为了比较，他们研究了四种情况：均匀铜板、单独的小隔热区域、半径为90毫米的大隔热区域，以及小隔热区域搭配主动控制环的情况。

结果令人印象深刻。当控制环按计算出的热通量模式驱动时，测得的温度场与远大的隔热区域的温度场高度吻合。

"实验验证表明，所制造的超散射器将一个小型隔热圆形区域的热散射特征放大了九倍，有效地模拟了半径大九倍的圆形区域的散射特征，"研究作者表示。

计算机模拟支持了测量结果，并表明只要边界控制遵循变换规则，该方法同样适用于非圆形形状。

一种实用的热超散射方法

这项工作改变了稳态热控制的可能性。通过用主动热超表面替代不可能的材料，研究人员为热超散射和热幻象开辟了一条实用途径。

原则上，该方法有助于重塑用于红外伪装的热特征，改善紧凑型电子设备的热管理，或引导能量收集系统中的热流。

接下来，研究人员的目标是提高效率，探索更复杂的形状，并将该概念扩展到更广泛的热学场景。

该研究已发表在《先进科学》期刊上。

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