何为“环境温差中的零能耗保温”？清晰起见 , 这里不妨从月球表面说起： 人们都知道，月球的表面温差非常大，太阳照射到的表面（朝阳面），其温度可高达 127 0 C, 而另一面——太阳照射不到的表面（背阳面），其温度可低达 -183 0 C. 朝阳面与背阳面之间的温差高达 310 0 C. 其实，类似的情况在很多场合都会遇到，例如在太空中飞行的人造卫星和航天器，它们的朝阳面和背阳面都有巨大的温差。为此，科学家们让人造卫星不停旋转，从而确保人造卫星保留在一个相对恒定的安全温度；而对航天器而言，特别是载人航天器，其中的保温系统是必不可少的，这也就耗费了很多用于保温的电能。鉴此，黄吉平课题组提出的一个问题是：既然朝阳面和背阳面有如此大的温差（即环境温差），那么，这个温差能否为我们人类所用呢？需知最适合人类居住的温度也就是 20 0 C 左右。假设（仅仅是假设！）一个航天器的朝阳面和背阳面温度分别为 100 0 C 和 -100 0 C ，这个温度区间已经包含了适宜我们人类居住的温度 20 0 C ，那么，为什么还需要耗费电能以维持航天器内部温度（ 20 0 C ）呢？为什么不可以设置合适的航天器外壳，使其对环境温度自动响应，从而维持航天器内部的温度为 20 0 C ？如果可以，这样的好处显而易见：不再需要额外消耗电能用于保温了，或说，实现了“环境温差中的零能耗保温”。 至此，一个科学问题也就浮现出来了，即：如何从环境温差中捕获、并维持特定的温度？——这正是黄吉平课题组在此文 中提出并致力解决的问题。他们是这样做的：图一 (a) 展示的是他们的理论模型或框架， A 材料 (Type-A) 是一种相变材料，它的转变温度是 T c , 当温度远高于 T c 时， A 材料是热的良导体，而当温度远低于 T c 时， A 材料是热的不良导体。 B 材料 (Type-B) 也是一种相变材料，它的转变温度也是 T c , 但是，与 A 材料不同的是，当温度远高于 T c 时， B 材料是热的不良导体，而当温度远低于 T c 时， B 材料是热的良导体。 A 材料和 B 材料之间填充的是普通材料 (Common material) 。注意：这里的转变温度 T c 就是 T 0 （低温端温度）和 T 3 （高温端温度）之间的某一个值，它就是期望捕获的温度，由以上分析可见，通过选用合适的材料， T c 是可以预先确定的。图一 (b-d) 中的模拟结果显示，保持低温端温度 (T 0 ) 不变时，当高温端温度 (T 3 ) 从 323.2K 上升到 338.2K, 再上升到 353.2K 时，中央区域的温度几乎维持不变，即分别为 293.3K, 293.4K, 293.5K. 而对照组中的温度则显著变化 ，分别为 298.2K,305.7K, 313.2K. 可见，温度捕获效果实现了。这里最后还需要补充的是，图一中仅仅是为了比较的便利，人为的把低温端的温度固定不变，事实上，如果低温端温度也显著变化的话，类似的温度捕获效果同样呈现，这是因为 T c 是固定的 , 它满足 T 0 T c T 3 . 图一：温度捕获理论的模型及有限元模拟结果： (a-d) 零能耗恒温器； (e-h) 对照组。此图出自论文 。 上面介绍的是温度捕获理论及其模拟结果。但是，上述温度捕获效果能否在实验中实现呢？为此，黄吉平课题组制备了实验样品，细节可见图二。基于图二 (a,b) 的实验设计，从图二 (c) 可见，实验样品的材料设计符合理论上对 A 材料和 B 材料的要求。针对图二 (b) 的实验样品，其测试结果就在图三 (a-c) 中。可以看到，此时当高温端温度显著变化，该样品中央区域的温度基本维持不变；而对照组 中同样区域的温度却显著变化。该实验结果显示了环境温差中零能耗保温的现实可行性。 图二： (a-b) 实验样品设计 ;(c)A 材料和 B 材料的实验参数 (Experiment) 与理论条件 (Theory) 的对比。此图出自论文 。 图三 : 实验测试结果： (a-c) 零能耗恒温器； (d-f) 对照组。此图出自论文 。 至此，已经完整介绍了环境温差中零能耗保温的理论、模拟和实验。其实，这个概念的提出还有更多的应用价值，除了上文提及的用于航天器保温外，它还可用于设计热隐身衣——其可以使得热流不能够进入某个特定区域，但并不影响外面热流线的分布，好似这个特定区域不存在似的。当前，热隐身衣的研究收到越来越多学者的关注 ，迄今， 国内外研究人员 发展了不同的理论方法或实验手段用于获得热隐身效果，值得一提的是， 2015 年，黄吉平课题组提出开关热隐身的概念 ，从而使得实现能够随环境变化的智能热隐身衣成为可能 . 但是，对现有的所有热隐身衣 而言，当其处于变化的环境温差中时，其中央隐身区域的温度也会随着环境温度的变化而显著变化，这就制约了热隐身衣的进一步发展，为此，黄吉平课题组 基于零能耗保温这个新概念，设计了一种新型热隐身衣，其中央隐身区域的温度几乎不随环境温度变化 。 图四：新型热隐身衣：中央隐身区域温度不随环境温度变化而变化。 (a) 理论设计； (b-d) 有限元模拟结果。此图出自论文 。 黄吉平课题组在论文 中提出的温度捕获理论有助于实现新的保温方法或控温方法，而零能耗保温这个概念则对节能领域有参考价值。 参考文献 X. Y. Shen, Y. Li, C. R. Jiang, and J.P. Huang, “Temperature trapping: Energy-free maintenance of constanttemperatures as ambient temperature gradients change”, Phys. Rev. Lett. 117,055501 (2016) C. Z. Fan, Y. Gao, and J. P. Huang, “Shaped graded materials with an apparentnegative thermal conductivity”, Appl. Phys. Lett. 92, 251907 (2008) J. Y. Li, Y. Gao, and J. P.Huang, “A bifunctional cloak using transformation media”, J. Appl. Phys. 108,074504 (2010) S. Narayana and Y. Sato, “Heatflux manipulation with engineered thermal materials”, Phys. Rev. Lett. 108,214303 (2012) R. Schittny, M. Kadic, S.Guenneau, and M. Wegener, “Experiments on transformation thermodynamics:Molding the flow of heat”, Phys. Rev. Lett. 110, 195901 (2013) T. C. Han, X. Bai, D. L. Gao, J.T. L. Thong, B. W. Li, and C.-W. Qiu, “Experimental demonstration of a bilayerthermal cloak”, Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014) H. Y. Xu, X. H. Shi, F. Gao, H.D. Sun, and B. L. Zhang, “Ultrathin three-dimensional thermal cloak”, Phys.Rev. Lett. 112, 054301 (2014) Y. G. Ma, Y. C. Liu, M. Raza, Y.D. Wang, and S. L. He, “Experimental demonstration of a multiphysics cloak:Manipulating heat flux and electric current simultaneously”, Phys. Rev. Lett.113, 205501 (2014) Y. Li, X. Y. Shen, Z. H. Wu, J.Y. Huang, Y. X. Chen, Y. S. Ni, and J. P. Huang, “Temperature-dependenttransformation thermotics: From switchable thermal cloaks to macroscopicthermal diodes”，Phys. Rev. Lett. 115, 195503 (2015)
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