熱超材料(Thermal Metamaterials)為人工設計熱學材料，即通過材料熱物性/幾何結構設計來規劃溫度分布或者熱流路徑，以實現在熱源及其附近區域的精準熱管理。材料內熱流與溫度場是耦合的，因此熱超材料設計理論上是一維的，即其功能目標只能規劃溫度分布或者熱流路徑。目前，熱超材料研究一直圍繞溫度場分布展開的。近日，中國科大研究團隊首次提出基于可折疊V形結構來規劃熱流3D路徑的熱超材料設計策略，研究結果以“ V‐Shaped 3D Electrothermal Dual‐Function Metamaterials: Dynamic Dual‐Field Cloak Through Geometric Transformation”為題，于6月25日在線發表在Advanced Functional Materials。該研究結果將為深入研究動態熱超材料提出了切實可行的理論框架。
圖1 V-ETDFM 的示意圖與結構設計原理
平面熱流路徑經過離面折疊后形成了空間路徑，其在視覺平面上則留下諸如熱斗篷等典型投影結構。這些平面投影結構就是參數化折疊結構的設計及檢測目標。在智能制造、柔性電子、熱管理和能量轉換等應用領域中，多功能超材料已成為控制多物理場的必經之路，作者進一步提出V形三維電熱雙功能超材料(V-ETDFM)架構，實現對電傳輸和熱傳輸的高效可重構控制。通過理論和數值分析，基于有效參數恒定的變換原理，完成了對V形框架進行可逆拉伸與壓縮，證明了動態控制隱身參數(包括尺寸、形狀和空間位置)的有效性。為了驗證理論，作者設計與制作了4種形狀隱身區域的電熱隱身實驗裝置，通過靜態關鍵特征驗證了設計原理的有效性、可行性與可靠性；同時，設計參數的連續可調性為未來探索實時動態調諧提供了可操作的技術路徑，為電熱多功能超材料與柔性可重構多物理場調控提供了全新的理論框架。
該論文的三位共同第一作者為工程科學學院研究生周以諾、信息科學技術學院研究生曹先榮，以及工程科學學院本科生王政鴻；本文通訊作者依次為浙江大學的成正東教授，中國科學技術大學的胡芃教授、何立群副教授以及趙剛教授。本文工作得到了國家自然科學基金(U24A20764, 82172114))與科技部重點研發項目(2021YFF0601004-01)等資助。
