区域变换之加密热打印

基于扩散形式的热传导是我们日常生活中常见的现象,不过长期以来由于热传导的控制方程具有拉普拉斯方程形式,导致热流被认为无法像波动方程控制的电磁波一样进行人为调控。事实上,定向热流操控一旦实现,可以在电子器件热管理、能量输运和转化、低品位热能收集等领域发挥重要作用,因此长期以来吸引了国内外研究者的广泛关注和研究兴趣。自热超材料诞生以来,有关热流操控的研究如雨后春笋般蓬勃发展,先后实现了热隐身、热聚集、热旋转、热幻象、热伪装、热编码等功能,令人耳目一新。然而这些功能其实都是光学超材料、声学超材料等领域的相关功能器件的拓展和延续,是否可以实现热学领域唯一而其他领域没有的新型功能和器件呢?

华中科技大学罗小兵教授团队基于前期提出的幻象热学方法体系,与日本东京大学Junichiro Shiomi教授,新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授合作实现了热流沿某一方向定向传导这一热学新型功能:(1)将热源的热幻象位置设计在靠近一个矩形区域的某一边界上,得到了各向异性导热系数张量;(2)通过数值模拟和红外实验加以验证:当热源工作时,热量沿着这个边界进行传导,而不是全向热扩散;(3)发展了区域变换方法,即将整个空间划分成任意形状的子区域,各个子区域间并不互连,每个子区域中具有唯一的热源和单独的幻象热学设计,实现各自独立的热流操控。据此,研究人员实现了整个英文字母表的热幻象打印,根据英文字母笔画规律,研究人员对某些字母还提出了一步法和两步法来简化设计。有趣的是,该区域变换方法不仅可以打印字母表,还可以打印图像、制作动画、显示加密红外信息等。与传统结构相比,该方法设计的热功能器件在热源不工作时完全隐藏了信息,在热源工作时借助红外相机方可读取隐藏的信息,具有一定的信息加密功能。

研究者相信,此项研究成果为热超材料功能器件提供了新思路。相关论文在线发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201807849),第一作者是华中科技大学胡润副教授。