原文：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40988-2
在日常生活或工業應用中，合適的溫度不僅能提升生活品質，還能保證工業生產效率，于是就有了溫度控制的需求。在許多情況下，溫度控制是需要滿足不同物體的多溫度需求，其廣泛存在于貨物運輸、冷鏈物流及建筑環境等場景中。由此，實現高效多溫度控制對提升系統效率具有重要意義。
02 成果掠影
近日，復旦大學應用表面物理國家重點實驗室黃吉平教授課題組提出了一種具有梯田結構溫度分布的熱超構材料，并基于此實現了高效多溫度控制，為物理學、工程學、生命科學等學科中存在高效多溫度控制需求的場景，提供了一種有潛力的解決方案。研究成果以“Adaptive multi-temperature control for transport and storage containers enabled by phase-change materials”為題發表于《Nature Communications》。論文發表同日，課題組應邀在Springer Nature的Physics Community中“Behind the Paper”欄目以“Extended Discussion on Thermal Metamaterials with Terrace-Shaped Temperature Distribution for Efficient Adaptive Multi-Temperature Control”為題發布了一個post，分享了該工作的想法來源及實驗經驗等內容。
在溫度分布中設計出梯田結構以實現高效多溫度控制的想法，可以爬山過程中山脈表面結構的改進為案例展開討論。由日常生活經驗可知，平滑的山體對于登山者來說存在很大的挑戰（圖1a），而當山體表面散布著多個平臺形成梯田結構時，可以便于登山者通行（圖1b）。當輸運物體的溫度需求不同時，物體之間將存在傳熱（圖2a）。一種自然的想法是借鑒冷鏈物流技術中先進的相變控溫技術（圖2b）。即利用相變儲能材料在相變階段的近似恒溫特性對物品進行控溫，然后用絕熱材料封裝以增加物體的溫度控制時間。然而，使用絕熱材料隔絕不同區域并不能徹底解決傳熱問題，當溫差較大時，可能需要輸入額外能量，以消除傳熱對多溫度控制的不利影響。相變材料控制物體的溫度，需要其相變溫度接近物體的需求溫度，且需要具有較好的綜合性能，如熱穩定性、化學穩定性、循環穩定性、經濟性等。而使用梯田結構溫度分布可以實現多溫度控制（圖2c）。只分別需要一個熱源和冷源，通過熱超構材料調節熱源和冷源間介質的溫度降落，構建出多段溫度近似平坦區域，并使其與控溫物體溫度需求恰好一致。圖2d展現了多溫度控制的效果，可以看到，僅需一對冷熱源，即可同時控制住8種具有不同溫度需求貨物的溫度，極大地提升了溫度控制的效率。圖3. 多溫恒溫箱示意圖。其中PCM是phase change material的縮寫。PCM A為硬脂酸，PCM B為蒸餾水。為了實現上述方案，課題組制作了一個多溫恒溫箱作為貨物運輸的工程樣件，圖3是器件的工作原理及結構示意圖。該器件由一對移動冷熱源、一個多溫度控制系統、九個不同溫度的存儲空間及一個商業保溫箱組成。選擇相變溫度約為340.15 K的硬脂酸制作移動熱源（PCM A），相變溫度約為273.15 K的蒸餾水制作移動冷源（PCM B）。而為了保證其能穩定作為恒溫邊界釋放或吸收熱量，將相變材料都封裝于高密度聚乙烯盒子中。使用時，需要讓硬脂酸完全熔化，處于蓄熱狀態；讓蒸餾水完全凝固，處于蓄冷狀態。將它們分別放置在相應位置。在運輸過程中，由于環境溫度介于硬脂酸和蒸餾水的相變溫度之間，硬脂酸凝固放熱，蒸餾水熔化吸熱，在多溫度控制系統兩端近似形成高低溫恒溫邊界，由此實現多溫度控制。圖4. 兩小時后，多溫恒溫箱不同區域內模擬物溫度變化率的大小。圖4顯示，其區間僅為0.14-2.05%。結果表明，此多溫度控制方案在應用于貨物運輸的多溫恒溫箱中取得了良好的控溫效果。該研究基于熱超構材料實現了高效多溫度控制，并給出了完整的理論框架、計算方法及工程樣件設計步驟。針對貨物運輸應用，飛速發展的相變材料可以強化多溫恒溫箱中移動熱源和冷源的性能，從而進一步提升多溫度控制效果。而在其他場景下，新的熱源和冷源替代制作方法可以實現更廣泛的應用。
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