复旦大学黄吉平团队：基于热超构材料实现了类梯田结构多温度控制

近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室黄吉平教授课题组，提出了一种具有类梯田结构温度分布的热超构材料，并以此为基础实现了高效多温度控制，为物理学、工程学及生命科学等不同学科中存在多温度需求的情形，提供了一种有潜力的控温方案。相关成果以“Adaptive multi-temperature control for transport and storage containers enabled by phase-change materials”为题发表于《自然通讯》[Nature communications 14, 5449 (2023)]。

复旦大学物理学系黄吉平教授为论文通讯作者，博士毕业生周鑫晨为论文第一作者，哈尔滨工业大学徐翔教授为论文第二作者。论文发表同日，课题组应邀在Springer Nature的Physics Community中“Behind the Paper”栏目撰文，分享了该工作的想法来源及实验经验等内容。

多温度需求广泛存在于日常生活及工业应用，例如货物运输、冷链物流、建筑环境等，因此实现高效多温度控制对提升系统效率有重要意义。以货物运输为例，如果运输物体的温度不一致，那么它们之间将发生热传递（图1a）。

现有冷链物流技术中最先进的控温方法是利用相变储能材料在相变阶段的近似恒温特性控制运输物体的温度（图1b）。这种方法对相变材料有两个基本要求。首先，材料本身的相变温度需要和运输物体的温度需求接近；其次，材料的热稳定性、化学稳定性、循环稳定性、经济性等综合性能需比较好。

然而，现有的一种相变材料只能严格控制一个区域，如果使用相变材料单独控制一个区域并用隔热材料将不同区域隔开实现多温度控制，那么就需要针对不同物体的不同温度需求，分别制备对应的相变材料。若自然界中不存在这种相变材料，就需要人为开发复合相变材料，此举需要较大的前期投入。

此外，上述做法没有完全解决不同温度物体间传热的问题，在货物运输中，若物体间的温度需求差异较大，则可能需要消耗额外能量，以消除传热给多温度控制带来的不利影响。可见，针对有多温度需求的货物运输问题，若直接使用冷链物流技术中的相变控温方案，将存在两个阻碍，其一是物体间不可避免的传热，其二是相变材料物理化学性质的局限性。

图1 多温度控制示意图。a 不同温度物体之间的传热。b 相变储能材料控温原理。c 类梯田结构温度分布控温原理。d 利用类梯田结构温度分布对具有不同温度需求的货物进行温度控制。其中PCM是phase change material的缩写，AMTC是adaptive multi-temperature control的缩写。

该研究团队从农业生产中的梯田结构汲取灵感，在宏观传热系统中构建了一种类梯田状温度分布。这种构建方法需要一个热源和一个冷源，然后通过热超构材料调控冷热源间介质中的温度降落，并在温度分布中构建出多段温度近似平坦区域，使平坦区域温度与控温物体温度需求恰好一致（图1c）。

如此，即可同时克服之前提到的两个阻碍，其原因可以归结为两点。首先，这种设计充分利用了控温物体间的传热，为它们各自的温度控制做出了贡献。其次，按照之前提到的相变控温技术，这里的方案只需使用两种不同相变温度的相变材料构建一对冷热源，即可实现多温度控制，对相变材料相变温度的要求从原来的“与物体温度需求一致”降低到了“大于（小于）物体温度需求”。对照现有先进相变材料，可从中选出合适的高性能材料，以在货物运输中实现这种多温度控制方案。图1d选取了8种实际货物，并展示了类梯田结构温度分布对它们进行多温度控制的原理，体现了其控温的高效性。

基于上述方案，团队构建了一个导热传热系统，通过调节系统热学/结构参数实现了这一方案。面向实际应用，团队根据实际货物的温度需求制作了一个多温恒温箱作为工程样件（图2）。此装置由四部分组成，一对移动冷热源、一个多温度控制系统、一个商业保温箱和九个可以存放不同温度物体的存储空间。

其中，移动热源由相变温度约为340.15 K的硬脂酸（PCM A）制作，冷源由相变温度约为273.15 K的蒸馏水（PCM B）制作，多温度控制系统由商业材料组合制作。在使用时，需要将作为热源的硬脂酸完全熔化，使其处于蓄热状态；将作为冷源的蒸馏水完全凝固，使其处于蓄冷状态。之后将两者放置在相应位置，为多温度控制系统提供恒定高低温边界，如此即可在货物运输时实现多温度控制。

图2 多温恒温箱示意图。其中PCM是phase change material的缩写，PCM A为硬脂酸，PCM B为蒸馏水。

为了测试上述方案在实际应用中的可行性，团队制备了具有不同初始温度的水，以模拟具有不同温度需求的货物。将它们置于恒温箱相应位置后，测试其温度变化率。结果表明，在2小时后，模拟物温度变化率的大小仅为0.14-2.05%，实验验证了利用热超构材料实现高效多温度控制的效果（图3）。

图3 两小时后，多温恒温箱不同区域内模拟物温度变化率的大小。

就货物运输而言，随着现有相变材料的快速发展，使用新型高性能复合相变材料替换此装置中的硬脂酸及蒸馏水，能够进一步提升控温效果。此外，针对不同的应用场景，上述热源和冷源也可用其他方法实现。此工作能够为物理学、工程学及生命科学等各学科领域中需要高效多温度控制的场景，提供一种不同的温控设计方案。