熱量是一種頑固的存在。與光或聲音不同，熱量不會以明確的光束或波浪形式傳播，工程師無法用緊湊的裝置將其彎曲、聚焦或隱藏。相反，熱量通過擴散緩慢而不斷地擴散，模糊了移動過程中的溫度模式。這使得控制物體在熱感應相機中的顯示方式或它們與熱環境的互動變得困難。到目前為止，管理熱量的唯一可靠方法涉及厚重的絕緣材料、笨重的熱擴散器或大型的被動結構。一項新研究顯示出了一種解決這一問題的方法。研究作者展示了一種裝置，使小物體能夠像半徑大九倍的物體一樣強烈地擾動熱流——而不改變物體本身。通過在精心設計的邊界上主動注入和移除熱量，該系統強迫熱量圍繞物體流動，彷彿它的尺寸遠大於實際情況。結果是一個緊湊的物體留下的熱足跡遠大於其物理尺寸。
科學家稱之為熱超散射，研究作者指出：「這種方法使熱簽名的操控超越了物理尺寸的限制，具有在熱超吸收器/超源、熱迷彩和能源管理等方面的潛在應用。」為什麼熱量如此難以操控？工程師已經知道如何利用圖案化材料引導穩定的熱流，這一領域被稱為熱動力學。這一領域的一個強大分支，變換熱動力學，借用物理學的數學工具重塑熱量在空間中的擴散方式。科學家不再重新設計物體，而是重新設計熱量圍繞物體的路徑。如果處理得當，外殼外的溫度模式可以被設計成與另一種不同尺寸或形狀的虛擬物體相匹配。然而，當研究人員試圖將這一理念推向極限時，問題就出現了。
為了使一個小物體表現得像一個更大的物體，數學要求周圍外殼的一部分具有負熱導率。這種材料會在沒有外部能量的情況下將熱量從較冷的區域推向較熱的區域——這在被動材料中是無法存在的（根據熱力學的基本規則，熱量總是從較熱的區域流向較冷的區域）。這一單一要求使得熱超散射在現實世界中的展示多年來一直受到阻礙。
新研究放棄了純被動外殼的理念。相反，研究人員用主動熱超表面替代了這種不可能的材料——這是一種邊界，上面佈滿了可控的加熱和冷卻元件。團隊從一個參考問題開始。在這個理想的情況下，一個具有熱導率 κₐ 的大型物體位於導電率 κ_b 的背景材料中。這個大型物體強烈扭曲了周圍的溫度場。然後，研究人員設計了一個尺寸小得多的物理物體，包裹在一個外殼中，並使用數學坐標變換將兩種情況聯繫起來。目標是在選定的邊界外部使溫度和熱流在兩種情況下完全相同。
這一變換將三個邊界聯繫起來：內部物體邊界 ρ₁(θ)、外殼邊界 ρ₂(θ) 和外部的「虛擬」邊界 ρ₃(θ)，後者代表放大物體的表觀大小。這些邊界之間有一個簡單的關係：ρ₁ρ₃ = ρ₂²。當這些方程被推導出來時，顯示外殼通常需要在不同的方向上以不同的方式導熱，並在不同地點變化。更重要的是，負責超散射的區域最終會具有有效的負熱導率。研究人員並沒有試圖建造這種不可能的外殼，而是保留了一個正常的、正導熱的外殼，並增加了一個主動邊界。在這個邊界上，他們施加了一個精心計算的熱流模式。
為了實驗性地演示這一思想，團隊專注於一個簡單的圓形幾何形狀和一個超絕緣的情況，其中虛擬物體完全阻擋熱流。設置使用銅板作為背景材料。水浴將板的兩端固定在 320 K 和 287 K，創造出穩定的溫度梯度。在中心放置了一個半徑僅為 10 mm 的小型絕緣圓盤。圍繞它，在半徑 30 mm 的地方，研究人員放置了一圈 10 個熱電模塊。這些裝置可以根據電流的方向加熱或冷卻，十分適合主動控制。每個模塊覆蓋了一圈的 36° 範圍，近似理論預測的連續邊界。
在讓系統穩定約 30 秒後，團隊使用紅外相機測量了表面溫度。為了比較，他們檢查了四種情況：均勻的銅板、小型絕緣區域、大型半徑 90 mm 的絕緣區域以及小型絕緣區域與主動環的組合。結果令人印象深刻。當環按照計算的熱流模式運行時，測得的溫度場與大型絕緣區域的場非常接近。研究作者表示：「實驗驗證顯示製造出的超散射器使小型絕緣圓形區域的熱散射簽名增加了九倍，有效模擬了半徑九倍的圓形區域的散射簽名。」計算機模擬支持了這些測量並顯示，只要邊界控制遵循變換規則，這一方法也適用於非圓形的形狀。
這項工作改變了穩態熱控制的可能性。通過用主動熱超表面替換不可能的材料，研究人員開啟了一條實用的熱超散射和熱幻影的路徑。理論上，這種方法可以幫助重塑紅外迷彩的熱簽名，改善緊湊電子設備的熱管理，或者在能量收集系統中引導熱流。接下來，研究人員的計劃是提高效率，探索更複雜的形狀，並將這一概念擴展到更廣泛的熱場景。該研究發表在《Advanced Science》期刊上。
