科学网-[转载]FOP | 路线图：热超构材料与热力学-董洪光的博文

[转载]FOP | 路线图：热超构材料与热力学

2025-5-26 09:48

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在科技飞速发展的今天，热超构材料与热力学领域的研究正以前所未有的速度推进，为众多前沿技术带来了变革的可能。近二十年以来，该领域取得了众多理论突破和工程应用成果，展现出巨大的潜力和价值。最近，由特约编辑复旦大学黄吉平教授组织约稿发表于Frontiers of Physics（Beijing）期刊的 “Roadmap on thermodynamics and thermal metamaterials” 路线图文章，集合了25个子学科、中外35家机构50多位专家的智慧，全面总结了该领域的研究进展，为我们呈现了一个充满创新与机遇的科研版图。

作为路线图文章，本文并不追求覆盖每一项细节，而是由各领域专家分别撰写章节，反映各自研究方向的发展脉络与思考路径。这些研究方向既相对独立，又彼此交织，构成了一个清晰的宏观框架，为该领域的未来研究提供了有力指引。

文章从多个维度全面展开：

按传热尺度划分，在宏观尺度，受到电磁学和光学的启发，变换热学的提出使热流控制开始迈入热超构材料调控新阶段。热斗篷、热集中器、热二极管等器件不断涌现，其核心理念是通过非均匀导热材料的空间分布，实现“热路径的人工设计”。这类研究不再局限于理论层面，而是已经推进到了实验验证阶段。特别是热斗篷在地下掩体红外热防护方面的实际工程应用，已经通过了相关论证。在微观尺度下，声子晶体和纳米器件成了调控热流的基础工具。它们其实并不算是严格意义上的超构材料，不过对它们的研究，能给热学超构材料带来很重要的启发。这就好比历史上光子晶体的研究，对电磁超构材料的发展起到了启发作用一样。通过周期结构和局域共振等机制，研究者实现了对声子传播行为的精准控制，如声子带隙调控、局域态诱导、极限热导率等前沿成果，推动了对纳米热输运的深入理解与应用拓展。

按传热机制划分，热传导作为最常见的热输运形式，相关章节聚焦于如何通过几何设计与材料组合调节导热路径，构建热零介质、导热网络等功能结构。热辐射方面，从近场增强到辐射冷却，再到表面转角、极化子调控，热超构材料正深入探索红外光子调控和光热耦合等前沿课题。对流调控也通过变换理论、时空调制、非厄米机制等取得突破。在多物理场耦合方面，热-电、热-光等交叉机制为热超构材料研究提供了新平台，也对基础理论与器件开发提出了更高要求。

此外，文章还特别探讨了非传统物理机制在热学中的创新应用，拓展了研究的边界。引入非线性系统与温度依赖参数后，热流调控具备了逻辑功能，实现了热二极管、热晶体管、热触发器等器件的构建，朝“热信息处理系统”迈进。受拓扑电子学与光子学启发，热学系统中引入拓扑态概念，实现热流的单向边界传播，文章系统回顾了拓扑热学理论并提出体边对应关系，预测具有非平凡拓扑不变量的系统中存在鲁棒边界态。在非厄米热系统方面，通过对PT/APT对称性和非对称耦合机制的探索，为热相位调控和定向传热开辟新路径。有效哈密顿量的应用深化了对温度场演化的认识，奇异点在非厄米扩散系统中的应用显示出高精度热传感的潜力，推动热拓扑器件的设计发展。

在工程应用层面，拓扑优化成为热超构材料设计的有力工具，实现了传统方法难以实现的功能。从早期的隐形器件到多物理耦合结构，再到可打印热超构材料的快速发展，该领域在近十年取得了显著进展。

同时，文章强调了热力学基础研究的重要性。非傅里叶传热与分形模型的引入揭示了经典传热理论之外的异常输运行为。有限时间热力学的发展也被系统回顾，包括循环约束、热过程优化与非常规热机的实验进展等内容。此外，热化状态的研究也被纳入，深入探讨了其特征时间、微观机制及热化指标，为非平衡系统研究提供理论支撑。

展望未来，热超构材料的突破不仅依赖理论进步，更有赖于跨学科、跨国界的深入合作。随着热管理需求不断提升，来自全球不同背景的科研人员需要携手推进该领域的发展。学术界、工业界与政府之间的协同创新，将成为解决复杂现实挑战的关键力量。从先进热设计的工程实现，到应对全球可持续发展的目标，这一研究方向正站在历史的关键节点。这篇路线图不仅是一份对当前研究格局的系统梳理，也是一份面向未来的宣言，呼吁全球科研界共绘热超构材料的发展蓝图，共同迈向更高效、更智能、更可持续的热管理新时代。

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ROADMAP

Yuguang Qiu, Masahiro Nomura, Zhongwei Zhang, Shuang Lu, Sebastian Volz, Jie Chen, et al., Roadmap on thermodynamics and thermal metamaterials, Frontiers of Physics 20(6), 065500 (2025)