現如今控制熱量對于解決諸如全球變暖、能源危機和電(diàn)子設備加熱等問題尤爲重要。緩解這些問題需要先進的工(gōng)具來操縱不同長度尺度上各種形式的熱傳遞。
傳熱是支撐能量傳輸的基本現象，通常由空間溫差引起。傳熱研究的主要關注點是溫度和熱流管理——将目标加熱或冷卻到合适的溫度；以及能量收集——将熱源（如太陽）的熱能轉換爲功能或其他形式的能量。現如今控制熱量對于解決諸如全球變暖、能源危機和電(diàn)子設備加熱等問題尤爲重要。緩解這些問題需要先進的工(gōng)具來操縱不同長度尺度上各種形式的熱傳遞。近年來，材料科學和物(wù)理學的發展促進了傳熱研究的複興。一(yī)方面，在傳統的加熱、冷卻和收集能源方面，新的方法正在出現，具有更高的效率、精度、适應性、可調性和緊湊性。另一(yī)方面，人們提出了将熱作爲信息載體(tǐ)，并将其用于通信、探測、反探測和計算的新應用。這些研究成果已成爲導電(diàn)熱材料、納米聲子學和遠場和近場熱輻射管理等研究方向。近日，科羅拉多大(dà)學李保文教授、斯坦福大(dà)學範汕洄教授以及新加坡國立大(dà)學仇成偉教授提供了傳熱控制的統一(yī)觀點，總結了利用人工(gōng)結構操縱物(wù)理參數和實現前所未有的傳熱現象的互補範例。本文分(fēn)三個部分(fēn)對熱流控制的三大(dà)類進行了綜述。第一(yī)部分(fēn)和第二部分(fēn)着重讨論了宏觀和微觀尺度下(xià)的熱傳導和熱輻射。第三部分(fēn)讨論了在傳導、輻射和對流中(zhōng)積極引入熱源或調整具有多重物(wù)理效應的材料參數的努力。最後，作者分(fēn)析了這一(yī)研究領域面臨的挑戰，探讨了可能的新方向，特别是拓撲熱效應、熱波和量子熱效應。該綜述近日以題爲“Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices”發表在知(zhī)名綜述Nature Reviews Materials上。
（b）制備的雙層隐身衣由内絕緣殼和外(wài)導熱殼組成，在不變形的情況下(xià)，使其内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稱熱流行爲的器件，例如，如圖中(zhōng)所示的熱二極管，其在一(yī)個方向上傳導熱量，但在相反方向上隔離(lí)熱量。
（a）一(yī)維超晶格中(zhōng)的相幹（波浪線）和擴散（直線）聲子散射（左）。（b）二維納米聲子晶體(tǐ)（NPC）中(zhōng)聲子輸運的三種可能機制是由聲子波長λ、聲子平均自由路徑Λ和NPC周期d（左）之間的關系決定的。（c）三維NPC以及具有不同孔隙率的三維NPC和體(tǐ)矽的熱導率随溫度的變化。（d）柱狀結構導熱系數降低的三種機制示意圖，雙柱撐膜（兩側有柱）和單柱撐膜（僅一(yī)側有柱）的導熱系數比相同厚度的均勻膜低兩個數量級。
圖三、遠場熱輻射調控
（a）傳統的黑體(tǐ)熱輻射（橙色）和納米結構控制的熱輻射（綠色）。（b）用于熱輻射控制的納米結構，包括光子晶體(tǐ)、光栅、超材料和多層膜。（c）超越普朗克定律：在宏觀發射器和微觀熱天線中(zhōng)通過熱提取增強吸收截面。（d）在具有非零化學勢μγ的半導體(tǐ)中(zhōng)，通過分(fēn)離(lí)電(diàn)子ηc和空穴ηv的準費(fèi)米能級，可以獲得非平衡熱輻射。（e）非平衡熱輻射可以通過時間調制引起的頻(pín)率躍遷和非線性來實現。（f）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統中(zhōng)，角光譜吸收率α和發射率ε之間的平衡可能被打破。（g）白(bái)天輻射冷卻可以使用在整個太陽光譜上吸收率接近零的材料，并且在8-13 μm光譜範圍内具有強發射率。（h）太陽能熱光伏系統：一(yī)個中(zhōng)間元件吸收入射的陽光加熱，然後根據太陽能電(diàn)池的帶隙産生(shēng)熱輻射。（i）超越基爾霍夫定律：非互易熱輻射。在非互易系統中(zhōng)，角光譜吸收率α和發射率ε之間的平衡可能被打破。
（a）跨度爲d或小(xiǎo)于峰值熱波長λ的真空間隙的近場輻射傳熱示意圖。（b）在頻(pín)率-波矢（ω-k）空間上所有可能通道的近場輻射傳熱的理論極限。（c）一(yī)對間隔爲10 nm的SiC平闆之間的光子傳輸概率ξ（ω，k）的圖。（d-h）增強近場輻射傳熱的平台包括超表面、光子晶體(tǐ)、溝槽、多層膜和通過逆向設計獲得的結構。（i-n）近場傳熱器件的概念包括熱二極管、熱晶體(tǐ)管、熱調制器、熱循環器、近場熱光伏、器件和近場正、負發光冰箱。
（b）電(diàn)場（E）和磁場可以改變某些材料的熱導率（κ）和發射率（ε）。（c）運動物(wù)質（通過引入速度場而處于運動狀态）可以增強與運動流體(tǐ)接觸的固體(tǐ)中(zhōng)的導熱性，也可以使運動内部的溫度場（以紅色表示）處于運動狀态。傳熱是一(yī)個曆史悠久的研究課題。當前的研究活動主要集中(zhōng)在特定形式上，即一(yī)定長度尺度（宏觀尺度或納米尺度）的熱傳導，輻射或對流，這些活動通常與其他研究領域分(fēn)開(kāi)。在本綜述中(zhōng)，作者盡力将來自不同方面的零散工(gōng)作放(fàng)在同一(yī)框架下(xià)。基于宏觀設計，已經有一(yī)些嘗試在納米尺度上實現熱隐身。變換理論已被用于處理輻射信号。對流被用來增強和遮蔽傳導熱。場緻相變被廣泛應用于各種長度尺度的熱傳導和熱輻射。也有熱超材料的理論設計，旨在同時控制傳導和輻射熱。盡管做出了這些努力，一(yī)個巨大(dà)的挑戰仍然是協同使用不同的方法來實現更複雜(zá)和實用的傳熱控制。大(dà)規模納米工(gōng)程聲子結構的制備是一(yī)個難點。熱電(diàn)效應和熱效應很少被認爲是除了加熱和制冷以外(wài)的調節傳熱的潛在方法。建立這樣的連接将不僅豐富我(wǒ)們的知(zhī)識，而且有助于解決許多多尺度和多物(wù)理問題，例如電(diàn)子設備和電(diàn)池的散熱、熱光電(diàn)能量收集和熱電(diàn)溫度調節。文獻鏈接：Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices (Nature Reviews Materials 2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00283-2)
文章轉載自微信公衆号:材料人
