[論文レビュー] Tunable liquid-solid hybrid thermal metamaterials with a topology transition

Peng Jin, Jinrong Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2022

Advanced Materials and Mechanics被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、外部からの液体流れの制御によって、熱クローキングと熱集中の間を連続的に切り替えられる、チューナブルな液体-固体ハイブリッド熱メタマテリアルを提案する。熱対流によってオンザーガー対称性を破ることで、仮想空間におけるトポロジー遷移を実現し、従来の伝導的制限を超えた動的で逆転可能な熱制御を達成する。

ABSTRACT

Thermal metamaterials provide rich control of heat transport which is becoming the foundations of cutting-edge applications ranging from chip cooling to biomedical. However, due to the fundamental laws of physics, the manipulation of heat is much constrained in conventional thermal metamaterials where effective heat conduction with Onsager reciprocity dominates. Here, through the inclusion of thermal convection and breaking the Onsager reciprocity, we unveil a regime in thermal metamaterials and transformation thermotics that goes beyond effective heat conduction. By designing a liquid-solid hybrid thermal metamaterial, we demonstrate a continuous switch from thermal cloaking to thermal concentration in one device with external tuning. Underlying such a switch is a topology transition in the virtual space of the thermotic transformation which is achieved by tuning the liquid flow via external control. These discoveries illustrate the extraordinary heat transport in complex multi-component thermal metamaterials and pave the way toward an unprecedented regime of heat manipulation.

研究の動機と目的

• 従来の熱メタマテリアルが有効熱伝導とオンザーガー対称性に支配される限界を克服すること。
• 固体内の熱伝導と液体内の熱対流を、1つのメタマテリアル構造に統合して、熱制御を強化すること。
• 1つのデバイス内で、所望の熱関数（例：クローキングから集中）を連続的にチューニング可能にすること。
• 水力チューニングを用いて、熱的変換の仮想空間におけるトポロジー遷移を実験的に証明すること。
• 古典的制約を超えて、伝導と対流の相乗効果を活用することで、熱制御の新しい領域を開くこと。

提案手法

• 多孔質構造を有する液体-固体ハイブリッド熱メタマテリアルの設計により、伝導的および対流的熱輸送を独立して制御すること。
• ダルシーの法則（Q = σAΔP / ηL）を用いて多孔質ユニットの有効透過率をモデル化・計算し、σは実験的流量および幾何形状から推定する。
• 有限要素シミュレーションを用いて、変動する水力的圧力下での熱フラックス分布と有効熱的性質の妥当性を検証すること。
• タイプ-Iおよびタイプ-IIの多孔質ユニットの実装：タイプ-Iは流体の流れを許容（透過率 ~2.68×10⁻⁹ m²）、タイプ-IIは流れを誘導するバッフル（透過率 10⁻¹⁸ m²）。
• 外部の水力的圧力（ΔP）を用いて流速をチューニングし、これにより熱フラックス増幅係数βを制御すること。
• シミュレーションでは固定温度境界を、実験では熱交換境界を用い、境界条件の差がβに顕著な影響を及ぼさないことを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱メタマテリアルに熱対流を活用することで、オンザーガー対称性を破り、方向性のある熱制御を可能にすることができるか？
• RQ2 1つのハイブリッドメタマテリアルで、熱クローキングと熱集中の間を連続的に切り替えられるように設計することは可能か？
• RQ3 熱的変換の仮想空間におけるトポロジー遷移が、物理的な液体-固体系にどのように現れるか？
• RQ4 ハイブリッド伝導-対流系において、外部の水力的制御によって有効熱輸送特性をどの程度チューニングできるか？
• RQ5 このような系の実験的実現が、測定可能かつ制御可能な熱フラックス増幅を伴って達成可能か？

主な発見

• 外部の水力的圧力の調整により、実験的に熱フラックス増幅係数βを、~1.0（熱クローキング）から~2.5（熱集中）まで連続的にチューニングした。
• 有限要素シミュレーションにより、βがΔPに比例して単調に増加することが確認され、コア領域の全熱フラックスが印加圧力差に比例して上昇した。
• タイプ-Iユニットの有効透過率は実験的に2.68×10⁻⁹ m²として算出され、シミュレーション結果（メタシェル部品の2.26×10⁻⁹および1.02×10⁻⁹ m²）と一致した。
• レイノルズ数約45が層流的・定常状態の流れを確認し、ダルシーの法則の適用および慣性効果の無視が妥当であることを裏付けた。
• シミュレーションおよび実験的検証により、クローキングと集中の機能的スイッチングに対応する仮想空間におけるトポロジー遷移が実現されたことが確認された。
• 固定境界と熱交換境界のわずかな差異にもかかわらず、熱フラックス増幅係数βは安定しており、実験的熱接触の変動に影響されなかった。