[注：此文仅仅是关于可行性论证的一个粗浅介绍，至于能否真正实现并走向应用，现在看来，还遥不可及！]

何为“环境温差中的零能耗保温”？清晰起见,这里不妨从月球表面说起：

人们都知道，月球的表面温差非常大，太阳照射到的表面（朝阳面），其温度可高达1270C,而另一面——太阳照射不到的表面（背阳面），其温度可低达-1830C. 朝阳面与背阳面之间的温差高达3100C. 其实，类似的情况在很多场合都会遇到，例如在太空中飞行的人造卫星和航天器，它们的朝阳面和背阳面都有巨大的温差。为此，科学家们让人造卫星不停旋转，从而确保人造卫星保留在一个相对恒定的安全温度；而对航天器而言，特别是载人航天器，其中的保温系统是必不可少的，这也就耗费了很多用于保温的电能。鉴此，黄吉平课题组提出的一个问题是：既然朝阳面和背阳面有如此大的温差（即环境温差），那么，这个温差能否为我们人类所用呢？需知最适合人类居住的温度也就是200C左右。假设（仅仅是假设！）一个航天器的朝阳面和背阳面温度分别为1000C和-1000C，这个温度区间已经包含了适宜我们人类居住的温度200C，那么，为什么还需要耗费电能以维持航天器内部温度（200C）呢？为什么不可以设置合适的航天器外壳，使其对环境温度自动响应，从而维持航天器内部的温度为200C？如果可以，这样的好处显而易见：不再需要额外消耗电能用于保温了，或说，实现了“环境温差中的零能耗保温”。

至此，一个科学问题也就浮现出来了，即：如何从环境温差中捕获、并维持特定的温度？——这正是黄吉平课题组在此文[1]中提出并致力解决的问题。他们是这样做的：图一(a)展示的是他们的理论模型或框架，A材料(Type-A)是一种相变材料，它的转变温度是Tc,当温度远高于Tc时，A材料是热的良导体，而当温度远低于Tc时，A材料是热的不良导体。B材料(Type-B)也是一种相变材料，它的转变温度也是Tc,但是，与A材料不同的是，当温度远高于Tc时，B材料是热的不良导体，而当温度远低于Tc时，B材料是热的良导体。A材料和B材料之间填充的是普通材料(Common material)。注意：这里的转变温度Tc就是T0（低温端温度）和T3（高温端温度）之间的某一个值，它就是期望捕获的温度，由以上分析可见，通过选用合适的材料，Tc是可以预先确定的。图一(b-d)中的模拟结果显示，保持低温端温度(T0)不变时，当高温端温度(T3)从323.2K上升到338.2K,再上升到353.2K时，中央区域的温度几乎维持不变，即分别为293.3K, 293.4K, 293.5K. 而对照组中的温度则显著变化[见图一(f-h)]，分别为298.2K,305.7K, 313.2K.可见，温度捕获效果实现了。这里最后还需要补充的是，图一中仅仅是为了比较的便利，人为的把低温端的温度固定不变，事实上，如果低温端温度也显著变化的话，类似的温度捕获效果同样呈现，这是因为Tc是固定的,它满足T0<Tc<T3.

图一：温度捕获理论的模型及有限元模拟结果：(a-d)零能耗恒温器；(e-h)对照组。此图出自论文[1]。

上面介绍的是温度捕获理论及其模拟结果。但是，上述温度捕获效果能否在实验中实现呢？为此，黄吉平课题组制备了实验样品，细节可见图二。基于图二(a,b)的实验设计，从图二(c)可见，实验样品的材料设计符合理论上对A材料和B材料的要求。针对图二(b)的实验样品，其测试结果就在图三(a-c)中。可以看到，此时当高温端温度显著变化，该样品中央区域的温度基本维持不变；而对照组[图三(d-f)]中同样区域的温度却显著变化。该实验结果显示了环境温差中零能耗保温的现实可行性。

图二：(a-b)实验样品设计;(c)A材料和B材料的实验参数(Experiment)与理论条件(Theory)的对比。此图出自论文[1]。

图三: 实验测试结果：(a-c)零能耗恒温器；(d-f)对照组。此图出自论文[1]。

至此，已经完整介绍了环境温差中零能耗保温的理论、模拟和实验。其实，这个概念的提出还有更多的应用价值，除了上文提及的用于航天器保温外，它还可用于设计热隐身衣——其可以使得热流不能够进入某个特定区域，但并不影响外面热流线的分布，好似这个特定区域不存在似的。当前，热隐身衣的研究收到越来越多学者的关注[2-9]，迄今，国内外研究人员[2-9]发展了不同的理论方法或实验手段用于获得热隐身效果，值得一提的是，2015年，黄吉平课题组提出开关热隐身的概念[9]，从而使得实现能够随环境变化的智能热隐身衣成为可能. 但是，对现有的所有热隐身衣[2-9]而言，当其处于变化的环境温差中时，其中央隐身区域的温度也会随着环境温度的变化而显著变化，这就制约了热隐身衣的进一步发展，为此，黄吉平课题组[1]基于零能耗保温这个新概念，设计了一种新型热隐身衣，其中央隐身区域的温度几乎不随环境温度变化[图四]。

图四：新型热隐身衣：中央隐身区域温度不随环境温度变化而变化。(a)理论设计；(b-d)有限元模拟结果。此图出自论文[1]。

黄吉平课题组在论文[1]中提出的温度捕获理论有助于实现新的保温方法或控温方法，而零能耗保温这个概念则对节能领域有参考价值。

参考文献

[1] X. Y. Shen, Y. Li, C. R. Jiang, and J.P. Huang, “Temperature trapping: Energy-free maintenance of constanttemperatures as ambient temperature gradients change”, Phys. Rev. Lett. 117,055501 (2016) [此文被美国物理学会Physics选为Focus专题报道，其中文翻译版：http://blog.sciencenet.cn/blog-683185-993567.html ]
[2] C. Z. Fan, Y. Gao, and J. P. Huang, “Shaped graded materials with an apparentnegative thermal conductivity”, Appl. Phys. Lett. 92, 251907 (2008)

[3] J. Y. Li, Y. Gao, and J. P.Huang, “A bifunctional cloak using transformation media”, J. Appl. Phys. 108,074504 (2010)

[4] S. Narayana and Y. Sato, “Heatflux manipulation with engineered thermal materials”, Phys. Rev. Lett. 108,214303 (2012)

[5] R. Schittny, M. Kadic, S.Guenneau, and M. Wegener, “Experiments on transformation thermodynamics:Molding the flow of heat”, Phys. Rev. Lett. 110, 195901 (2013)

[6] T. C. Han, X. Bai, D. L. Gao, J.T. L. Thong, B. W. Li, and C.-W. Qiu, “Experimental demonstration of a bilayerthermal cloak”, Phys. Rev. Lett. 112, 054302 (2014)

[7] H. Y. Xu, X. H. Shi, F. Gao, H.D. Sun, and B. L. Zhang, “Ultrathin three-dimensional thermal cloak”, Phys.Rev. Lett. 112, 054301 (2014)

[8] Y. G. Ma, Y. C. Liu, M. Raza, Y.D. Wang, and S. L. He, “Experimental demonstration of a multiphysics cloak:Manipulating heat flux and electric current simultaneously”, Phys. Rev. Lett.113, 205501 (2014)

[9] Y. Li, X. Y. Shen, Z. H. Wu, J.Y. Huang, Y. X. Chen, Y. S. Ni, and J. P. Huang, “Temperature-dependenttransformation thermotics: From switchable thermal cloaks to macroscopicthermal diodes”，Phys. Rev. Lett. 115, 195503 (2015)

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作者：黄吉平（科学网博客）

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