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【研究成果速递】PNAS: 提出了广泛适用于各类扩散系统的赝共形映射

近日，理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心黄吉平教授与合作者提出了一种基于“赝共形映射”（pseudo-conformal mapping）的普适几何框架，实现了对瞬态过程及多物理场耦合系统中扩散行为的精确调控。相关成果以“Controlling Transient and Coupled Diffusion with Pseudoconformal Mapping”为题，发表于Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [PNAS 122, e2511708122 (2025)]。扩散现象（如热扩散、物质扩散）是自然界和工程中的基本输运过程，对其时空行为的精准调控在芯片散热、生物医药、能源转换等前沿领域具有重要意义。然而，传统调控手段如变换理论，往往依赖于具有复杂各向异性参数的超构材料，而其他调控技术则多局限于稳态或单一物理场。因而，亟需发展一种摆脱各向异性材料限制，并能够适用于非稳态及多物理场耦合系统的通用扩散调控理论。针对上述挑战，研究团队提出了基于赝共形映射的设计思路。该方法通过线性变换与共形映射的逆Zhukovsky坐标变换，设计出“核-壳”结构。此时仅采用各向同性常规材料，便可实现对核区物理场（如温度梯度、热流密度）的增强或抑制，并确保功能结构与背景环境的无缝匹配，进而实现“隐身”等多种效应。该理论突破了传统局限，不仅适用于菲克第一定律（稳态扩散），还可推广到菲克第二定律（瞬态扩散）及多种多物理场耦合过程（如辐射-传导、对流-传导和热电耦合）。赝共形映射调控扩散流原理示意图。（A）扩散调控在芯片散热、药物释放与化学反应等领域的应用场景。（B）核心思想为：将虚拟空间中的特定几何形状（如椭圆）通过坐标映射变换为物理空间的目标形状（如圆），并通过调控核层和壳层的各向同性材料参数，实现对扩散场的精准调控，同时不干扰外部场分布。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2511708122

2025-08-11
【研究成果速递】PRL: 提出普适热扩散不变量，开辟瞬态热调控新范式

近日，理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心黄吉平教授与合作者在热超构材料领域首次提出并严格论证了“热扩散不变量”（Heat Diffusion Invariant）这一普适性物理概念，从根本上建立了热功能与材料属性之间的内在联系，解决了长期以来瞬态热超构材料精准、高效设计的核心难题。相关成果以“Heat Diffusion Invariant”为题，发表于Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 135, 067103 (2025)]。在物理学中，不变量是揭示复杂系统背后深刻规律的基石，例如拓扑不变量被广泛用于对结构几何特征进行分类。然而，在功能层面，尤其是在热学领域，一直缺乏一个能够统一描述不同功能（如隔热、聚热、旋转热流等）的普适性不变量。传统的热超构材料设计方法，例如变换热学、散射相消法等，通常聚焦于特定功能与特定形状开展设计。由此所设计出的材料参数不仅复杂，而且彼此之间存在显著差异。特别是在应对瞬态（随时间变化）以及任意形状（自由曲面）的热调控问题时，这类方法会遭遇设计效率低下、材料实现难度大的双重困境。研究团队提出的热扩散不变量，巧妙地揭示了热扩散率与稳态温度场之间的内在关联。该不变量的数值统一了各类瞬态热学功能：所有能实现热“隐身”效果的器件（如热隐身衣、热聚集器）都拥有与背景环境相同的热扩散不变量值；而不变量值若发生改变，则会产生特定的热散射现象，即“热幻像”。基于此，团队建立了一种全新的正向设计范式：只需确定稳态下的热导率，便可通过该不变量直接、精确地解析出瞬态调控所需的体积热容，极大地提升了设计自由度和效率。基于该理论，团队成功设计并实验验证了一款仅由各向同性材料构成的自由曲面瞬态热隐身衣——这在以往被认为是极具挑战性的任务。这项成果不仅为热隐身、热幻像、热加密等新奇热现象的瞬态实现提供了简洁而精确的理论指导，也为解决热管理、新能源系统热控制等实际工程问题开辟了新路径。热扩散不变量的概念具备进一步拓展应用的潜力，可将其推广至其他扩散系统，例如流体渗透、颗粒扩散，甚至电荷输运等领域。可以预见，该概念有望在更为广泛的非平衡输运研究范畴内发挥作用。热扩散不变量概念图。(a)用于几何分类的拓扑亏格g; (b)用于功能分类的热扩散不变量λ; (c)扩散不变量的物理起源。论文网址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cny8-szn7

2025-08-11

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