實(shí)測(cè)紅外圖像顯示，一個(gè)微小核心能產(chǎn)生與大型物體同等強(qiáng)度的熱擾動(dòng)。

熱量是頑固的。與光或聲不同，它不以清晰的束流或波的形式傳播，難以被工程師用小型設(shè)備彎曲、聚焦或隱藏。相反，熱量通過(guò)擴(kuò)散緩慢而持續(xù)地蔓延，在移動(dòng)過(guò)程中模糊溫度分布。這使得控制物體在熱感應(yīng)相機(jī)中的呈現(xiàn)方式或它們與熱環(huán)境的交互變得困難。迄今為止，管理熱量的唯一可靠方法依賴(lài)于厚重的隔熱層、笨重的散熱器或大型被動(dòng)結(jié)構(gòu)。

一項(xiàng)新研究為這一問(wèn)題提供了解決方案。研究作者展示了一種設(shè)備，能使一個(gè)小物體在不改變自身的情況下，對(duì)熱流的擾動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)半徑大九倍的物體的效果。該系統(tǒng)通過(guò)沿精心設(shè)計(jì)的邊界主動(dòng)注入和移除熱量，迫使熱流環(huán)繞物體流動(dòng)，仿佛該物體比實(shí)際尺寸大得多。其結(jié)果是一個(gè)緊湊的物體留下了遠(yuǎn)大于其物理尺寸的熱"足跡"?？茖W(xué)家稱(chēng)之為"熱超散射"。

"這種方法能夠突破物理尺寸限制來(lái)操控?zé)崽卣?，在熱超吸收體/超熱源、熱偽裝和能量管理方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值，"研究作者指出。

為何熱量如此難以操控？

工程師們已經(jīng)知道如何利用圖案化材料引導(dǎo)穩(wěn)態(tài)熱流，這一領(lǐng)域被稱(chēng)為"熱學(xué)"。其中，一個(gè)強(qiáng)大的分支——變換熱學(xué)，借鑒物理學(xué)的數(shù)學(xué)工具來(lái)重塑熱量在空間中的擴(kuò)散方式?？茖W(xué)家不再重新設(shè)計(jì)物體本身，而是重新設(shè)計(jì)物體周?chē)臒崃髀窂?。如果操作得?dāng)，可以使一個(gè)外殼外部的溫度分布與另一個(gè)尺寸或形狀完全不同的虛擬物體相匹配。

然而，當(dāng)研究人員試圖將這一想法推向極致時(shí)，問(wèn)題出現(xiàn)了。要讓一個(gè)小物體表現(xiàn)得像一個(gè)更大的物體，數(shù)學(xué)上要求周?chē)鈿さ囊徊糠志哂?負(fù)熱導(dǎo)率"。這種材料將無(wú)需外部能量就能將熱量從較冷區(qū)域驅(qū)動(dòng)到較熱區(qū)域——這是被動(dòng)材料不可能實(shí)現(xiàn)的（熱量從較熱區(qū)域流向較冷區(qū)域，這是熱力學(xué)的基本規(guī)則）。這一要求多年來(lái)阻礙了熱超散射的實(shí)際演示。

使用三個(gè)邊界解決問(wèn)題

新研究摒棄了純被動(dòng)外殼的想法。相反，研究人員用一種"主動(dòng)熱超表面"——即布設(shè)可控加熱和冷卻元件的邊界——替代了這種不可能的材料。

研究團(tuán)隊(duì)從一個(gè)參考問(wèn)題入手。在這個(gè)理想場(chǎng)景中，一個(gè)具有熱導(dǎo)率κ?的大物體位于熱導(dǎo)率為κ_b的背景材料中。這個(gè)大物體強(qiáng)烈扭曲了周?chē)臏囟葓?chǎng)。

然后，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)小得多的物理物體，將其包裹在一個(gè)外殼中，并利用數(shù)學(xué)坐標(biāo)變換將兩種情形聯(lián)系起來(lái)。目標(biāo)是使選定邊界外的溫度和熱流在兩種情況下完全相同。

該變換將三個(gè)邊界聯(lián)系在一起：內(nèi)部物體邊界ρ?(θ)、外殼邊界ρ?(θ)以及代表放大物體表觀尺寸的外部"虛擬"邊界ρ?(θ)。它們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式關(guān)聯(lián)：ρ?ρ? = ρ?2。

求解方程后發(fā)現(xiàn)，外殼通常需要在不同方向上具有不同的熱傳導(dǎo)能力，并且隨位置變化。更重要的是，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)超散射的區(qū)域最終需要具有等效的負(fù)熱導(dǎo)率。

研究人員沒(méi)有嘗試制造這種不可能的外殼，而是保留了一個(gè)具有正常、正熱導(dǎo)率的外殼，并添加了一個(gè)主動(dòng)邊界。沿該邊界，他們施加了經(jīng)過(guò)精確計(jì)算的熱通量模式。

簡(jiǎn)而言之，邊界元件要么注入熱量，要么抽走熱量，恰好提供了負(fù)材料本該具備而缺失的行為。從數(shù)學(xué)上講，根據(jù)定義的符號(hào)約定，所需的邊界熱源q?與法向熱通量q?的關(guān)系為 q? = ?2q?。

由于這些邊界元件消耗電能，它們并不違反熱力學(xué)定律。它們充當(dāng)了微小的分布式熱泵，而非違反物理定律的被動(dòng)材料。

從方程到工作裝置

為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一想法，研究團(tuán)隊(duì)聚焦于一個(gè)簡(jiǎn)單的圓形幾何結(jié)構(gòu)和一個(gè)超隔熱案例——即虛擬物體完全阻擋熱流。

實(shí)驗(yàn)裝置使用銅板作為背景材料。水浴將銅板兩端溫度分別固定在320 K和287 K，形成穩(wěn)定的溫度梯度。中心放置著一個(gè)半徑僅為10毫米的小型隔熱圓盤(pán)。

研究人員在其周?chē)霃?0毫米處，布置了一個(gè)由10個(gè)熱電模塊組成的環(huán)。這些器件可以根據(jù)電流方向進(jìn)行加熱或冷卻，非常適合進(jìn)行主動(dòng)控制。

每個(gè)模塊覆蓋圓環(huán)的36°扇形段，近似實(shí)現(xiàn)了理論預(yù)測(cè)的連續(xù)邊界。讓系統(tǒng)穩(wěn)定約30秒后，團(tuán)隊(duì)使用紅外相機(jī)測(cè)量了表面溫度。

為了比較，他們研究了四種情況：均勻銅板、單獨(dú)的小隔熱區(qū)域、半徑為90毫米的大隔熱區(qū)域，以及小隔熱區(qū)域搭配主動(dòng)控制環(huán)的情況。

結(jié)果令人印象深刻。當(dāng)控制環(huán)按計(jì)算出的熱通量模式驅(qū)動(dòng)時(shí)，測(cè)得的溫度場(chǎng)與遠(yuǎn)大的隔熱區(qū)域的溫度場(chǎng)高度吻合。

"實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，所制造的超散射器將一個(gè)小型隔熱圓形區(qū)域的熱散射特征放大了九倍，有效地模擬了半徑大九倍的圓形區(qū)域的散射特征，"研究作者表示。

計(jì)算機(jī)模擬支持了測(cè)量結(jié)果，并表明只要邊界控制遵循變換規(guī)則，該方法同樣適用于非圓形形狀。

一種實(shí)用的熱超散射方法

這項(xiàng)工作改變了穩(wěn)態(tài)熱控制的可能性。通過(guò)用主動(dòng)熱超表面替代不可能的材料，研究人員為熱超散射和熱幻象開(kāi)辟了一條實(shí)用途徑。

原則上，該方法有助于重塑用于紅外偽裝的熱特征，改善緊湊型電子設(shè)備的熱管理，或引導(dǎo)能量收集系統(tǒng)中的熱流。

接下來(lái)，研究人員的目標(biāo)是提高效率，探索更復(fù)雜的形狀，并將該概念擴(kuò)展到更廣泛的熱學(xué)場(chǎng)景。

該研究已發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》期刊上。

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