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)
题记 : 2016 年 7 月 29 日，物理学期刊 Physical Review Letters 发表了复旦大学物理系黄吉平课题组关于“零能耗保温”的一篇论文 ，同日，美国物理学会的 Physics 为这篇论文发布一篇焦点文章 (Focus) ，以向学生或公众介绍该文的研究成果。该焦点文章是由法国诺曼底的一位特约科技作者 Mark Buchanan 撰写的。复旦大学物理系研究生尚进同学翻译了这篇焦点文章；特此转发该中文版，以方便国内读者阅读。 焦点 : 无能耗恒温器 实验结果显示：处于高温和低温之间的一个特殊区域可以在不消耗能量的情况下维持在特定温度。 X. Shen et a l . , Phys. Rev. Lett. (2016) 保持恒温。 模拟结果显示：除了环境温度所造成的轻微扰动，无能耗恒温器在经过特殊设计的区域保持恒温。装置的几何结构与理论设计的一维情况不同，而是与二维“热斗篷”一样，对于中心区域之外的材料，其热导率以不同方式随温度变化。上图所展示的三张温度分布，左端均维持在273.15 K, 右端温度依次为：323.2 K，338.2 K和353.2 K. 在右端温度升高30 K的情况下，中心区域的温度改变不超过1.2 K. 维持相对稳定的温度对于电子芯片和建筑物内部非常重要，而为了保持温暖或者凉爽，经常需要提供一定的能量。然而，一个中国物理学家的课题组日前证实了在无需能量输入的情况下可以使高温端和低温端的中心某区域维持在特定温度。其基本出发点是：将指定区域包围在特殊材料中间，这些特殊材料的热学性质随温度变化而改变。该课题组的结果显示：无任何能耗的情况下，尽管一端温度升高 30 度，中心金属区域保持恒温。这项工作的研究者们相信，他们的这种概念设计可以拓展到实际的节能系统中。 当房屋的一侧背光另一侧曝露在早晨或正午的阳光下，通常房屋内的温度会发生变化，而为了维持室内温度恒定通常需要消耗能量。在温度剧烈变化的设备，比如电子器件和飞行器中，也存在类似的温度控制难题。 为了解决这个难题，上海复旦大学的黄吉平教授和合作者提出了“无能耗恒温器”。他们的构想是：一个温度为 T 的小区域向两端延伸，联通远处的高温端和低温端。问题的关键在于：如何防止中心区域的温度随远处热源或冷源的改变而升高或降低。 该团队的设计方案利用了材料热导率（热导率描述材料导通热流的能力）随温度变化的性质。按照他们给出的数学结果：低温端材料需要在温度大于 T 时导热性良好，而温度低于 T 时导热性较差，高温端材料性质相反。通过求解热传导方程，该团队指出：在例如高温端升温的情况下，中心区域仍可以维持温度 T 。 黄吉平和他的合作者还要求器件满足这样的性质：高温端温度升高时，热流量保持不变，这样可以达到没有能量增减的效果。你可能会认为高温端升温后中心区域会被加热，但是由于这一端热导率下降，这就使得在保持相同的热流量时会增加中心区域和高温端的温度差。就像电线和水管，当通道对流的阻力增大时，两端的电压或水压会相应增大（假设流量固定）。对于热流，通过类比同样可以得到温度差会增加的结果，而这将足以使中心区域维持温度 T 。 研究者们也通过实验验证了这个想法，他们试图在变化的高温端和低温端之间的薄金属条上维持恒定的温度。为了制作两端的导热材料，他们构造了用不同材料组成的双层联动的复合结构。其中一层固定在平面上，导热能力较弱；另外一层包含了可随温度改变而向上弯曲的材料，这样可以隔断热流通道，只留下导热能力较弱的一层。实验上，利用热成像，研究者们发现当高温端从（约） 320 K 增加到 353 K 时，中心区域只增加了 1 度（多）。 黄吉平希望这个想法能够尽快用于商业用途，特别是在减小能量消耗方面。对于室温的控制，在房屋外表面应用使用随温度适当变化的材料可以减少对空调的需求。他还指出，这一概念还可应用于朝阳面和背阳面温差巨大的卫星上。 新加坡国立大学的 Cheng-Wei Qiu 说：“这个想法非常新颖、巧妙，它在物体两侧环境温度变化的情况下非常有用。”他还补充说，这种方法在房屋温度控制方面非常的有前景。 这项研究发表在《物理评论快报》上 。 作者： Mark Buchanan （ Mark Buchanan 是法国诺曼底的一位特约科技作者） Temperature trapping: Energy-free maintenance of constant temperatures as ambient temperature gradients change X. Y. Shen, Y. Li, C. R. Jiang, and J. P. Huang Physical Review Letters, volume 117, 055501 (2016) 全文 : http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/jphuang/Mypapers/PRL-4.pdf 此文是在上海科委探索类项目资助下完成的（项目编号： 16ZR1445100 ）。 http://physics.aps.org/articles/v9/89 或者 http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/jphuang/Mypapers/PRL-4-Focus.pdf
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