實驗結果顯示：處于高溫和低溫之間的一個特殊區域可以在不消耗能量的情況下維持在特定溫度。
X. Shen et al., Phys.Rev.Lett. (2016)
保持恒溫。模擬結果顯示：除了環境溫度所造成的輕微擾動，無能耗恒溫器在經過特殊設計的區域保持恒溫。裝置的幾何結構與理論設計的一維情況不同，而是與二維“熱斗篷”一樣，對于中心區域之外的材料，其熱導率以不同方式隨熱導率變化。上圖所展示的三張溫度分布，左端均維持在273.15 K, 右端溫度依次為：323.2 K，338.2 K和353.2 K. 在右端溫度升高30 K的情況下，中心區域的溫度改變不超過1.2 K.
維持相對穩定的溫度對于電子芯片和建筑物內部非常重要，而為了保持溫暖或者涼爽，經常需要提供一定的能量。然而，一個中國物理學家的課題組日前證實了在無需能量輸入的情況下可以使高溫端和低溫端的中心某區域維持在特定溫度。其基本出發點是：將指定區域包圍在特殊材料中間，這些特殊材料的熱學性質隨溫度變化而改變。該課題組的結果顯示：無任何能耗的情況下，盡管一端溫度升高30度，中心金屬區域保持恒溫。這項工作的研究者們相信，他們的這種概念設計可以拓展到實際的節能系統中。
當房屋的一側背光另一側曝露在早晨或正午的陽光下，通常房屋內的溫度會發生變化，而為了維持室內溫度恒定通常需要消耗能量。在溫度劇烈變化的設備，比如電子器件和飛行器中，也存在類似的溫度控制難題。
為了解決這個難題，上海復旦大學的黃吉平教授和合作者提出了“無能耗恒溫器”。他們的構想是：一個溫度為T的小區域向兩端延伸，聯通遠處的高溫端和低溫端。問題的關鍵在于：如何防止中心區域的溫度隨遠處熱源或冷源的改變而升高或降低。
該團隊的設計方案利用了材料熱導率（熱導率描述材料導通熱流的能力）隨溫度變化的性質。按照他們給出的數學結果：低溫端材料需要在溫度大于T時導熱性良好，而溫度低于T時導熱性較差，高溫端材料性質相反。通過求解熱傳導方程，該團隊指出：在例如高溫端升溫的情況下，中心區域仍可以維持溫度T。
黃吉平和他的合作者還要求器件滿足這樣的性質：高溫端溫度升高時，熱流量保持不變，這樣可以達到沒有能量增減的效果。你可能會認為高溫端升溫后中心區域會被加熱，但是由于這一端熱導率下降，這就使得在保持相同的熱流量時會增加中心區域和高溫端的溫度差。就像電線和水管，當通道對流的阻力增大時，兩端的電壓或水壓會相應增大（假設流量固定）。對于熱流，通過類比同樣可以得到溫度差會增加的結果，而這將足以使中心區域維持溫度T。
研究者們也通過實驗驗證了這個想法，他們試圖在變化的高溫端和低溫端之間的薄金屬條上維持恒定的溫度。為了制作兩端的導熱材料，他們構造了用不同材料組成的雙層聯動的復合結構。其中一層固定在平面上，導熱能力較弱；另外一層包含了可隨溫度改變而向上彎曲的材料，這樣可以隔斷熱流通道，只留下導熱能力較弱的一層。實驗上，利用熱成像，研究者們發現當高溫端從（約）320 K 增加到353 K時，中心區域只增加了1度（多）。
黃吉平希望這個想法能夠盡快用于商業用途，特別是在減小能量消耗方面。對于室溫的控制，在房屋外表面應用使用隨溫度適當變化的材料可以減少對空調的需求。他還指出，這一概念還可應用于朝陽面和背陽面溫差巨大的衛星上。
新加坡國立大學的Cheng-Wei Qiu 說：“這個想法非常新穎、巧妙，它在物體兩側環境溫度變化的的情況下非常有用?！彼€補充說，這種方法在房屋溫度控制方面非常的有前景。
這項研究發表在《物理評論快報》上。
標簽： 復旦大學
