【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，上海理工大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)部物理學(xué)院變換熱學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理與復(fù)雜系統(tǒng)研究中心青年教師楊福寶博士與中國工程物理研究院研究生院、復(fù)旦大學(xué)、新加坡國立大學(xué)、南通大學(xué)等單位合作者，在擴(kuò)散超構(gòu)材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。8月4日，相關(guān)研究成果以“借助物理?幾何對偶效應(yīng)的仿生擴(kuò)散超材料”(Biomimetic diffusion metamaterials enabled by physical-geometric duality)為題發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。楊福寶博士為該論文共同第一作者(排序第一)，上海理工大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)部物理學(xué)院是該論文的第一完成單位。論文的通訊作者是須留鈞副研究員(中國工程物理研究院研究生院)、黃吉平教授(復(fù)旦大學(xué))、仇成偉教授(新加坡國立大學(xué))。南通大學(xué)戴高樂教授參與合作研究。
 

　　擴(kuò)散輸運(yùn)廣泛存在于熱管理、能源利用、軟物質(zhì)輸運(yùn)和多物理場調(diào)控等系統(tǒng)中。近年來，熱超構(gòu)材料通過人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了熱隱身、熱聚集、熱旋轉(zhuǎn)和熱偽裝等新功能，為操控?zé)崃魈峁┝诵侣窂健Ｈ欢?，自由形超?gòu)材料長期面臨功能與制造之間的矛盾：幾何變換方法能夠保證全向功能，卻通常需要空間非均勻、各向異性的復(fù)雜參數(shù)；物理等效方法便于用各向同性材料直接實(shí)現(xiàn)，但往往依賴特定外場方向。當(dāng)外部溫度梯度方向改變或溫度場變?yōu)榉蔷€性時(shí)，器件性能容易退化。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)從自然界葉片生長中的保角特征獲得啟發(fā)。葉片在不均勻、各向異性的局部生長過程中，仍可通過保持局部角度來降低彈性能量。團(tuán)隊(duì)將這一幾何圖像引入擴(kuò)散超構(gòu)材料設(shè)計(jì)，建立了由物理等效參數(shù)和溫度場直接確定幾何變換雅可比矩陣的物理-幾何對偶關(guān)系。由此得到的擴(kuò)散對偶超構(gòu)材料雖然具有強(qiáng)各向異性和非均勻性，但其主軸天然沿著局域熱流線和等溫線排列，而這兩類場線在器件內(nèi)部保持相互正交。
 

　　這一機(jī)制顯著簡化了復(fù)雜張量參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式。傳統(tǒng)方案往往需要先給定目標(biāo)各向異性導(dǎo)熱張量，再通過優(yōu)化或后處理尋找可制造結(jié)構(gòu)；在本工作中，設(shè)計(jì)者只需沿局域場線方向排布由各向同性材料組成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，即可無優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的空間變化各向異性導(dǎo)熱張量。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該范式：所設(shè)計(jì)的自由形熱隱身器件在水平、豎直以及由角點(diǎn)熱源產(chǎn)生的非線性溫度場下，均能保持背景等溫線不受擾動(dòng)，并使被保護(hù)核心區(qū)域維持近似均勻溫度。
 

　　除自由形熱隱身外，該物理-幾何對偶范式還可與拓?fù)鋬?yōu)化等單向設(shè)計(jì)方法結(jié)合，將任意來源的單向物理場直接轉(zhuǎn)化為全向超構(gòu)材料設(shè)計(jì)；同時(shí)，它還可擴(kuò)展到方向依賴功能、瞬態(tài)熱調(diào)控以及直流電場等系統(tǒng)。該成果為發(fā)展兼具自由形狀幾何、全向性能和直接制造能力的新型擴(kuò)散超構(gòu)材料提供了新的設(shè)計(jì)路徑，也有望為質(zhì)量輸運(yùn)、電荷擴(kuò)散、散射光傳播、流體系統(tǒng)和靜磁場等更廣泛體系中的場調(diào)控提供新思路。
 

　　引用：上海理工大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)部物理學(xué)院楊福寶博士在《自然·通訊》發(fā)表研究成果【引用時(shí)間：2026年8月13日】