原文：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40988-2
在日常生活或工业应用中，合适的温度不仅能提升生活品质，还能保证工业生产效率，于是就有了温度控制的需求。在许多情况下，温度控制是需要满足不同物体的多温度需求，其广泛存在于货物运输、冷链物流及建筑环境等场景中。由此，实现高效多温度控制对提升系统效率具有重要意义。
02 成果掠影
近日，复旦大学应用表面物理国家重点实验室黄吉平教授课题组提出了一种具有梯田结构温度分布的热超构材料，并基于此实现了高效多温度控制，为物理学、工程学、生命科学等学科中存在高效多温度控制需求的场景，提供了一种有潜力的解决方案。研究成果以“Adaptive multi-temperature control for transport and storage containers enabled by phase-change materials”为题发表于《Nature Communications》。论文发表同日，课题组应邀在Springer Nature的Physics Community中“Behind the Paper”栏目以“Extended Discussion on Thermal Metamaterials with Terrace-Shaped Temperature Distribution for Efficient Adaptive Multi-Temperature Control”为题发布了一个post，分享了该工作的想法来源及实验经验等内容。
在温度分布中设计出梯田结构以实现高效多温度控制的想法，可以爬山过程中山脉表面结构的改进为案例展开讨论。由日常生活经验可知，平滑的山体对于登山者来说存在很大的挑战（图1a），而当山体表面散布着多个平台形成梯田结构时，可以便于登山者通行（图1b）。当输运物体的温度需求不同时，物体之间将存在传热（图2a）。一种自然的想法是借鉴冷链物流技术中先进的相变控温技术（图2b）。即利用相变储能材料在相变阶段的近似恒温特性对物品进行控温，然后用绝热材料封装以增加物体的温度控制时间。然而，使用绝热材料隔绝不同区域并不能彻底解决传热问题，当温差较大时，可能需要输入额外能量，以消除传热对多温度控制的不利影响。相变材料控制物体的温度，需要其相变温度接近物体的需求温度，且需要具有较好的综合性能，如热稳定性、化学稳定性、循环稳定性、经济性等。而使用梯田结构温度分布可以实现多温度控制（图2c）。只分别需要一个热源和冷源，通过热超构材料调节热源和冷源间介质的温度降落，构建出多段温度近似平坦区域，并使其与控温物体温度需求恰好一致。图2d展现了多温度控制的效果，可以看到，仅需一对冷热源，即可同时控制住8种具有不同温度需求货物的温度，极大地提升了温度控制的效率。图3. 多温恒温箱示意图。其中PCM是phase change material的缩写。PCM A为硬脂酸，PCM B为蒸馏水。为了实现上述方案，课题组制作了一个多温恒温箱作为货物运输的工程样件，图3是器件的工作原理及结构示意图。该器件由一对移动冷热源、一个多温度控制系统、九个不同温度的存储空间及一个商业保温箱组成。选择相变温度约为340.15 K的硬脂酸制作移动热源（PCM A），相变温度约为273.15 K的蒸馏水制作移动冷源（PCM B）。而为了保证其能稳定作为恒温边界释放或吸收热量，将相变材料都封装于高密度聚乙烯盒子中。使用时，需要让硬脂酸完全熔化，处于蓄热状态；让蒸馏水完全凝固，处于蓄冷状态。将它们分别放置在相应位置。在运输过程中，由于环境温度介于硬脂酸和蒸馏水的相变温度之间，硬脂酸凝固放热，蒸馏水熔化吸热，在多温度控制系统两端近似形成高低温恒温边界，由此实现多温度控制。图4. 两小时后，多温恒温箱不同区域内模拟物温度变化率的大小。图4显示，其区间仅为0.14-2.05%。结果表明，此多温度控制方案在应用于货物运输的多温恒温箱中取得了良好的控温效果。该研究基于热超构材料实现了高效多温度控制，并给出了完整的理论框架、计算方法及工程样件设计步骤。针对货物运输应用，飞速发展的相变材料可以强化多温恒温箱中移动热源和冷源的性能，从而进一步提升多温度控制效果。而在其他场景下，新的热源和冷源替代制作方法可以实现更广泛的应用。
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