【科技动态】“超材料热防护斗篷”可作为防爆利器
在使用台式电脑、笔记本电脑等电子产品时，人们都有这样的经验：使用时间一长就会感觉到不同程度的发热，有的老化严重的电子设备甚至烫手到可以煎熟一个鸡蛋。这是因为不论是什么材质的电线、元器件和电池都有电阻，电阻为零的情况是不存在的。电阻的存在，使得电池在通过电流传输能量时，有一部分能量以热能的形式消耗在电池内部的电路上，从而造成发热。
笔记本电脑发热导致爆炸
手机的发热就更加普遍了，有时甚至烫手，很多时候是因为：运行了高耗能的App，边充电边玩手机或通话，使用不良的锂电池，手机外表有保护壳或者其他覆盖物抑或越狱安装了不兼容的插件等。
几款手机进行高清录像1小时后的红外热像图
55%的电子元器件故障是因为过热。法国科学家证实，利用基于超材料的光隐形斗篷技术的很多原理，能够研制出让物体对热“隐身”或将热集中于某一区域的“超材料热防护斗篷”。导热斗篷迫使外部热流绕过斗篷，导致隐身区域热通量为零，从而具有热防护功能；同时，热流绕过斗篷后将恢复原来的温度场分布，使其具有完美热“隐身”功能。科学家们表示，因为其独特的热保护功能，最新技术有望更好地控制电子设备中的散热，在计算机芯片、航天器返回舱、卫星等设备的热保护中具有巨大的应用价值。
超材料作为独立的学科始于2001年。在中国，以深圳光启为代表的科研团队在超材料领域内开展了具有一定影响力和有特色的研究和应用工作，于2009年首次实现了宽频带超材料隐身衣的设计与制备，该成果刊登在美国《科学》杂志上，引起业界很大的反响。2010年《科学》杂志将超材料评为过去十年人类最重大的十大科技突破之一。
目前，隐形斗篷领域取得的进步都是基于转化光学的基本原理，其中涉及到超材料的使用以及用其让光发生弯曲，使光在一个空间的周围传播而非通过该空间。此后，许多具有特殊电磁性能的器件被相继提出，例如电磁斗篷、超棱镜、隐形门、透明体、外斗篷等。与此同时，作为超材料应用的一个拓展领域，如何利用超材料实现对热流的操纵是热力学研究的一个热点。
结构铜板中的二维“热防护斗篷”，红色代表热区，蓝色代表冷区
尽管最新技术的基本原理与光学斗篷的一样，但还是存在关键区别。迄今为止，斗篷研究技术以操作波的轨迹为中心，包括光波和声波等，但热学领域与波领域的最大区别是，热学包含的物理学现象是扩散而非波的传播。热并非波，它只是从温度高的地方扩散到温度低的地方。因此，在这两个领域起主导作用的数学和物理学原理非常不同。例如，波能长距离旅行，衰减很少，但温度扩散的范围非常有限。
在前述法国科学家的方法中，热从温度高的物体流到温度低的物体那里，通过空间任何区域的热流的大小用等温线（在一定参考面上气温值相等各点的连线）之间的距离表示。接着，他们对等温线的几何形状进行了修改，使得等温线能扩散而非通过一个循环区域到达热流的目的地，这样，在目的地的物体就实现了对热“防护”。据此，可以设计出这样一个斗篷，其能让某一区域对热防护，或迫使热集中于一个小区域内，接着快速加热该区域。最新的“超材料热防护斗篷”技术可以应用于很多方面。例如，可以防止纳米电子和微电子设备过热，这是电子和半导体工业面临的最大挑战之一。而且，大的工业设施、危险品防护和航空航天领域也有望从中大大受益。至于让热集中这一点，可以在太阳能工业找到用武之地。
三维的“超材料热防护斗篷”
近期，“超材料热防护斗篷”已经首次从二维设计扩展到了三维设计，3D打印的技术也被集成到其中。也许过不了多久，我们的笔记本电脑和智能手机中的过热问题真的找到了解决方案，房屋可以真正冬暖夏凉，建筑设施防火能力得到大幅提高，光伏组件的发电效率和寿命因此而提高。
（作者：双木）
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