近日，上海理工大学基础学部物理学院青年教师杨福宝博士与合作者，在扩散超构材料领域取得新进展：受叶片保角生长启发，揭示了物理等效与几何变换之间的物理-几何对偶机制，并据此提出一类兼顾全向功能与直接制造的扩散对偶超构材料。该设计可将原本依赖特定外场方向的单向器件，直接转化为在不同温度场方向下均保持功能稳定的全向器件，同时避免复杂张量参数的优化求解。相关研究成果以“Biomimetic diffusion metamaterials enabled by physical-geometric duality”为题，于2026年8月4日发表在国际学术期刊《Nature Communications》。上海理工大学基础学部物理学院为该论文的第一完成单位；杨福宝博士为论文共同第一作者（排序第一）。
图：受叶片保角生长启发的扩散超构材料物理-几何对偶机制示意图。几何变换可实现全向功能但制造复杂，物理等效便于直接制造但通常受外场方向限制；物理-几何对偶将二者联系起来，使各向异性导热张量可沿热流线和等温线直接构筑，从而兼顾全向功能和直接制造。
精准操控扩散输运是热管理、能源利用、软物质输运以及多物理场调控中的重要基础。近年来，热超构材料为热隐身、热聚集、热旋转和热伪装等功能提供了新路径，但自由形器件设计长期面临功能与制造之间的矛盾。几何变换方法能够保证全向功能，却往往需要空间非均匀、各向异性的复杂导热参数；物理等效方法便于用各向同性材料直接实现，但通常依赖特定外场方向。当外部温度梯度方向改变或温度场变为非线性时，器件性能容易退化。因此，如何同时获得自由形几何、全向性能和直接制造能力，是扩散超构材料设计中的关键问题。
针对上述挑战，该研究从自然界叶片生长中的保角特征获得启发。叶片在不均匀、各向异性的局部生长过程中，仍可通过保持局部角度来降低弹性能量。团队将这一几何图像引入扩散超构材料设计，建立了由物理等效参数和温度场直接确定几何变换雅可比矩阵的物理-几何对偶关系。由此得到的扩散对偶超构材料虽然具有强各向异性和非均匀性，但其主轴天然沿着局域热流线和等温线排列，而这两类场线在器件内部保持相互正交。因此，设计者只需沿局域场线方向排布由各向同性材料组成的层状复合结构，即可无优化地实现相应的空间变化各向异性导热张量。
有限元模拟和实验进一步验证了该机制。研究人员先利用保角辅助追踪方法设计单向自由形热隐身器件，再借助物理-几何对偶得到其全向对应物。模拟结果表明，该器件在水平、竖直以及由角点热源产生的非线性温度场下，均能保持背景等温线不受扰动，并使被保护核心区域维持近似均匀温度。实验中，团队采用金属骨架、铜-空气复合结构、因科镍以及多种硅脂材料构筑样品，在不同热边界条件下获得了与模拟吻合良好的温度分布。该成果还可与拓扑优化等单向设计方法结合，并可扩展到方向依赖功能、瞬态热调控以及直流电场等系统，有望为质量输运、电荷扩散、散射光传播、流体系统和静磁场等更广泛体系中的超构材料设计提供新思路。
论文地址：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76322-9
