來(lái)源：Nature Communications

原文：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40988-2

01 背景介紹

在日常生活或工業(yè)應(yīng)用中，合適的溫度不僅能提升生活品質(zhì)，還能保證工業(yè)生產(chǎn)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(yùn)輸、冷鏈物流及建筑環(huán)境等場(chǎng)景中。由此，實(shí)現(xiàn)高效多溫度控制對(duì)提升系統(tǒng)效率具有重要意義。

02 成果掠影

近日，復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃吉平教授課題組提出了一種具有梯田結(jié)構(gòu)溫度分布的熱超構(gòu)材料，并基于此實(shí)現(xiàn)了高效多溫度控制，為物理學(xué)、工程學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科中存在高效多溫度控制需求的場(chǎng)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(fā)表于《Nature Communications》。論文發(fā)表同日，課題組應(yīng)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(fā)布了一個(gè)post，分享了該工作的想法來(lái)源及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)等內(nèi)容。

03 圖文導(dǎo)讀

圖1. 山脈表面梯田結(jié)構(gòu)對(duì)攀登難度的影響。

在溫度分布中設(shè)計(jì)出梯田結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高效多溫度控制的想法，可以爬山過(guò)程中山脈表面結(jié)構(gòu)的改進(jìn)為案例展開(kāi)討論。由日常生活經(jīng)驗(yàn)可知，平滑的山體對(duì)于登山者來(lái)說(shuō)存在很大的挑戰(zhàn)（圖1a），而當(dāng)山體表面散布著多個(gè)平臺(tái)形成梯田結(jié)構(gòu)時(shí)，可以便于登山者通行（圖1b）。

圖2. 多溫度控制示意圖。

當(dāng)輸運(yùn)物體的溫度需求不同時(shí)，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(shù)中先進(jìn)的相變控溫技術(shù)（圖2b）。即利用相變儲(chǔ)能材料在相變階段的近似恒溫特性對(duì)物品進(jìn)行控溫，然后用絕熱材料封裝以增加物體的溫度控制時(shí)間。

然而，使用絕熱材料隔絕不同區(qū)域并不能徹底解決傳熱問(wèn)題，當(dāng)溫差較大時(shí)，可能需要輸入額外能量，以消除傳熱對(duì)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(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、循環(huán)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等。

而使用梯田結(jié)構(gòu)溫度分布可以實(shí)現(xiàn)多溫度控制（圖2c）。只分別需要一個(gè)熱源和冷源，通過(guò)熱超構(gòu)材料調(diào)節(jié)熱源和冷源間介質(zhì)的溫度降落，構(gòu)建出多段溫度近似平坦區(qū)域，并使其與控溫物體溫度需求恰好一致。圖2d展現(xiàn)了多溫度控制的效果，可以看到，僅需一對(duì)冷熱源，即可同時(shí)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(xiě)。PCM A為硬脂酸，PCM B為蒸餾水。

為了實(shí)現(xiàn)上述方案，課題組制作了一個(gè)多溫恒溫箱作為貨物運(yùn)輸?shù)墓こ虡蛹?/span>圖3是器件的工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖。該器件由一對(duì)移動(dòng)冷熱源、一個(gè)多溫度控制系統(tǒng)、九個(gè)不同溫度的存儲(chǔ)空間及一個(gè)商業(yè)保溫箱組成。

選擇相變溫度約為340.15 K的硬脂酸制作移動(dòng)熱源（PCM A），相變溫度約為273.15 K的蒸餾水制作移動(dòng)冷源（PCM B）。而為了保證其能穩(wěn)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(shí)，需要讓硬脂酸完全熔化，處于蓄熱狀態(tài)；讓蒸餾水完全凝固，處于蓄冷狀態(tài)。將它們分別放置在相應(yīng)位置。在運(yùn)輸過(guò)程中，由于環(huán)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(tǒng)兩端近似形成高低溫恒溫邊界，由此實(shí)現(xiàn)多溫度控制。

圖4. 兩小時(shí)后，多溫恒溫箱不同區(qū)域內(nèi)模擬物溫度變化率的大小。

圖4顯示，其區(qū)間僅為0.14-2.05%。結(jié)果表明，此多溫度控制方案在應(yīng)用于貨物運(yùn)輸?shù)亩鄿睾銣叵渲腥〉昧肆己玫目販匦Ч?/span>

04 小結(jié)

該研究基于熱超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)了高效多溫度控制，并給出了完整的理論框架、計(jì)算方法及工程樣件設(shè)計(jì)步驟。針對(duì)貨物運(yùn)輸應(yīng)用，飛速發(fā)展的相變材料可以強(qiáng)化多溫恒溫箱中移動(dòng)熱源和冷源的性能，從而進(jìn)一步提升多溫度控制效果。而在其他場(chǎng)景下，新的熱源和冷源替代制作方法可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

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