上海理工大學基礎學部物理學院楊福寶博士在《自然·通訊》發表研究成果

　　【儀表網 研發快訊】 近日，上海理工大學基礎學部物理學院變換熱學、統計物理與復雜系統研究中心青年教師楊福寶博士與中國工程物理研究院研究生院、復旦大學、新加坡國立大學、南通大學等單位合作者，在擴散超構材料領域取得重要進展。8月4日，相關研究成果以“借助物理?幾何對偶效應的仿生擴散超材料”(Biomimetic diffusion metamaterials enabled by physical-geometric duality)為題發表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。楊福寶博士為該論文共同第一作者(排序第一)，上海理工大學基礎學部物理學院是該論文的第一完成單位。論文的通訊作者是須留鈞副研究員(中國工程物理研究院研究生院)、黃吉平教授(復旦大學)、仇成偉教授(新加坡國立大學)。南通大學戴高樂教授參與合作研究。
 

　　擴散輸運廣泛存在于熱管理、能源利用、軟物質輸運和多物理場調控等系統中。近年來，熱超構材料通過人工結構設計實現了熱隱身、熱聚集、熱旋轉和熱偽裝等新功能，為操控熱流提供了新路徑。然而，自由形超構材料長期面臨功能與制造之間的矛盾：幾何變換方法能夠保證全向功能，卻通常需要空間非均勻、各向異性的復雜參數；物理等效方法便于用各向同性材料直接實現，但往往依賴特定外場方向。當外部溫度梯度方向改變或溫度場變為非線性時，器件性能容易退化。
 

　　針對這一挑戰，研究團隊從自然界葉片生長中的保角特征獲得啟發。葉片在不均勻、各向異性的局部生長過程中，仍可通過保持局部角度來降低彈性能量。團隊將這一幾何圖像引入擴散超構材料設計，建立了由物理等效參數和溫度場直接確定幾何變換雅可比矩陣的物理-幾何對偶關系。由此得到的擴散對偶超構材料雖然具有強各向異性和非均勻性，但其主軸天然沿著局域熱流線和等溫線排列，而這兩類場線在器件內部保持相互正交。
 

　　這一機制顯著簡化了復雜張量參數的實現方式。傳統方案往往需要先給定目標各向異性導熱張量，再通過優化或后處理尋找可制造結構；在本工作中，設計者只需沿局域場線方向排布由各向同性材料組成的層狀復合結構，即可無優化地實現相應的空間變化各向異性導熱張量。研究團隊進一步通過有限元模擬和實驗驗證了該范式：所設計的自由形熱隱身器件在水平、豎直以及由角點熱源產生的非線性溫度場下，均能保持背景等溫線不受擾動，并使被保護核心區域維持近似均勻溫度。
 

　　除自由形熱隱身外，該物理-幾何對偶范式還可與拓撲優化等單向設計方法結合，將任意來源的單向物理場直接轉化為全向超構材料設計；同時，它還可擴展到方向依賴功能、瞬態熱調控以及直流電場等系統。該成果為發展兼具自由形狀幾何、全向性能和直接制造能力的新型擴散超構材料提供了新的設計路徑，也有望為質量輸運、電荷擴散、散射光傳播、流體系統和靜磁場等更廣泛體系中的場調控提供新思路。
 

　　引用：上海理工大學基礎學部物理學院楊福寶博士在《自然·通訊》發表研究成果【引用時間：2026年8月13日】