现如今控制热量对于解决诸如全球变暖、能源危机和电子设备加热等问题尤为重要。缓解这些问题需要先进的工具来操纵不同长度尺度上各种形式的热传递。
传热是支撑能量传输的基本现象，通常由空间温差引起。传热研究的主要关注点是温度和热流管理——将目标加热或冷却到合适的温度；以及能量收集——将热源（如太阳）的热能转换为功能或其他形式的能量。现如今控制热量对于解决诸如全球变暖、能源危机和电子设备加热等问题尤为重要。缓解这些问题需要先进的工具来操纵不同长度尺度上各种形式的热传递。近年来，材料科学和物理学的发展促进了传热研究的复兴。一方面，在传统的加热、冷却和收集能源方面，新的方法正在出现，具有更高的效率、精度、适应性、可调性和紧凑性。另一方面，人们提出了将热作为信息载体，并将其用于通信、探测、反探测和计算的新应用。这些研究成果已成为导电热材料、纳米声子学和远场和近场热辐射管理等研究方向。近日，科罗拉多大学李保文教授、斯坦福大学范汕洄教授以及新加坡国立大学仇成伟教授提供了传热控制的统一观点，总结了利用人工结构操纵物理参数和实现前所未有的传热现象的互补范例。本文分三个部分对热流控制的三大类进行了综述。第一部分和第二部分着重讨论了宏观和微观尺度下的热传导和热辐射。第三部分讨论了在传导、辐射和对流中积极引入热源或调整具有多重物理效应的材料参数的努力。最后，作者分析了这一研究领域面临的挑战，探讨了可能的新方向，特别是拓扑热效应、热波和量子热效应。该综述近日以题为“Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices”发表在知名综述Nature Reviews Materials上。
（b）制备的双层隐身衣由内绝缘壳和外导热壳组成，在不变形的情况下，使其内部不受热辐射的影响。（c）依赖于温度的变换使得能够制造具有非对称热流行为的器件，例如，如图中所示的热二极管，其在一个方向上传导热量，但在相反方向上隔离热量。
（a）一维超晶格中的相干（波浪线）和扩散（直线）声子散射（左）。（b）二维纳米声子晶体（NPC）中声子输运的三种可能机制是由声子波长λ、声子平均自由路径Λ和NPC周期d（左）之间的关系决定的。（c）三维NPC以及具有不同孔隙率的三维NPC和体硅的热导率随温度的变化。（d）柱状结构导热系数降低的三种机制示意图，双柱撑膜（两侧有柱）和单柱撑膜（仅一侧有柱）的导热系数比相同厚度的均匀膜低两个数量级。
图三、远场热辐射调控
（a）传统的黑体热辐射（橙色）和纳米结构控制的热辐射（绿色）。（b）用于热辐射控制的纳米结构，包括光子晶体、光栅、超材料和多层膜。（c）超越普朗克定律：在宏观发射器和微观热天线中通过热提取增强吸收截面。（d）在具有非零化学势μγ的半导体中，通过分离电子ηc和空穴ηv的准费米能级，可以获得非平衡热辐射。（e）非平衡热辐射可以通过时间调制引起的频率跃迁和非线性来实现。（f）超越基尔霍夫定律：非互易热辐射。在非互易系统中，角光谱吸收率α和发射率ε之间的平衡可能被打破。（g）白天辐射冷却可以使用在整个太阳光谱上吸收率接近零的材料，并且在8-13 μm光谱范围内具有强发射率。（h）太阳能热光伏系统：一个中间元件吸收入射的阳光加热，然后根据太阳能电池的带隙产生热辐射。（i）超越基尔霍夫定律：非互易热辐射。在非互易系统中，角光谱吸收率α和发射率ε之间的平衡可能被打破。
（a）跨度为d或小于峰值热波长λ的真空间隙的近场辐射传热示意图。（b）在频率-波矢（ω-k）空间上所有可能通道的近场辐射传热的理论极限。（c）一对间隔为10 nm的SiC平板之间的光子传输概率ξ（ω，k）的图。（d-h）增强近场辐射传热的平台包括超表面、光子晶体、沟槽、多层膜和通过逆向设计获得的结构。（i-n）近场传热器件的概念包括热二极管、热晶体管、热调制器、热循环器、近场热光伏、器件和近场正、负发光冰箱。
（b）电场（E）和磁场可以改变某些材料的热导率（κ）和发射率（ε）。（c）运动物质（通过引入速度场而处于运动状态）可以增强与运动流体接触的固体中的导热性，也可以使运动内部的温度场（以红色表示）处于运动状态。传热是一个历史悠久的研究课题。当前的研究活动主要集中在特定形式上，即一定长度尺度（宏观尺度或纳米尺度）的热传导，辐射或对流，这些活动通常与其他研究领域分开。在本综述中，作者尽力将来自不同方面的零散工作放在同一框架下。基于宏观设计，已经有一些尝试在纳米尺度上实现热隐身。变换理论已被用于处理辐射信号。对流被用来增强和遮蔽传导热。场致相变被广泛应用于各种长度尺度的热传导和热辐射。也有热超材料的理论设计，旨在同时控制传导和辐射热。尽管做出了这些努力，一个巨大的挑战仍然是协同使用不同的方法来实现更复杂和实用的传热控制。大规模纳米工程声子结构的制备是一个难点。热电效应和热效应很少被认为是除了加热和制冷以外的调节传热的潜在方法。建立这样的连接将不仅丰富我们的知识，而且有助于解决许多多尺度和多物理问题，例如电子设备和电池的散热、热光电能量收集和热电温度调节。文献链接：Transforming heat transfer with thermal metamaterials and devices (Nature Reviews Materials 2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00283-2)
文章转载自微信公众号:材料人
