[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种可调谐的液-固混合热超材料，通过外部控制液流，实现热隐身与热聚焦之间的连续切换。通过热对流打破昂萨格互惠性，系统在虚拟空间中实现拓扑转变，从而实现超越传统导热极限的动态、可逆热调控。

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.

研究动机与目标

• 克服传统热超材料受有效热传导和昂萨格互惠性主导的局限性。
• 在单一超材料结构中整合固体中的热传导与液体中的热对流，以实现更优的热控制。
• 在一个器件中实现按需、连续可调的热功能（如从隐身到聚焦）。
• 通过水力调节实验演示热变换虚拟空间中的拓扑转变。
• 通过超越经典约束的导热与对流协同作用，开启热调控的新范式。

提出的方法

• 设计具有多孔结构的液-固混合热超材料，以独立调控导热与对流热传输。
• 使用达西定律（Q = σAΔP / ηL）建模并计算多孔单元的有效渗透率，其中σ通过实验测得的流速和几何参数估算。
• 采用有限元模拟方法建模热流分布，并在不同水力压力下验证有效热性能。
• 实施I型和II型多孔单元：I型用于流体流动（渗透率≈2.68×10⁻⁹ m²），II型作为挡板（渗透率10⁻¹⁸ m²）以引导流动。
• 施加外部水力压力（ΔP）以调节流体速度，从而控制热流放大因子β。
• 模拟中采用固定温度边界条件，实验中采用热交换条件，验证表明边界条件差异对β无显著影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在热超材料中利用热对流打破昂萨格互惠性，实现定向热控制？
• RQ2 是否可设计一种单一混合超材料，实现热隐身与热聚焦之间的连续切换？
• RQ3 热变换虚拟空间中的拓扑转变在物理液-固系统中如何体现？
• RQ4 在导热-对流混合系统中，通过外部水力控制，有效热传输性能可调谐到何种程度？
• RQ5 此类系统的实验实现是否可实现可测量且可控的热流放大？

主要发现

• 通过调节外部水力压力，实验测得热流放大因子β连续可调，从~1.0（热隐身）增至~2.5（热聚焦）。
• 有限元模拟证实，β随ΔP单调增加，核心区域总热流与施加压力差成比例上升。
• I型单元的有效渗透率实验测得为2.68×10⁻⁹ m²，与模拟结果（2.26×10⁻⁹和1.02×10⁻⁹ m²，对应超壳组件）一致。
• 雷诺数约45，证实为层流、稳态流动，支持达西定律适用性，并可忽略惯性效应。
• 系统在虚拟空间中实现拓扑转变，对应功能从隐身到聚焦的切换，经模拟与实验验证。
• 尽管边界条件存在微小差异（固定温度 vs. 热交换），热流放大因子β仍保持鲁棒，不受实验热接触变化影响。