中國科大電熱四功能超材料實現四場解耦可編程調控

多物理場超材料作為面向多物理場精準調控的核心人工結構，可通過材料熱、電物性與幾何拓撲設計，同步規劃電流、電壓、熱流、溫度分布，是自適應偽裝、高效能源傳輸、先進微電子熱管理等領域的關鍵核心技術。然而，電子–聲子強相互作用、電壓場–電流場與溫度場–熱流場本征耦合，長期制約傳統設計僅能實現單一或雙功能，難以在統一架構下完成多場解耦操控，成為多物理場超材料發展的核心瓶頸。

近日，中國科學技術大學信息科學技術學院趙剛教授、工程科學學院何立群副教授聯合浙江大學李鷹研究員領銜的超材料研究團隊，提出基于場線引導坐標變換的電熱四功能超材料（ETQFM），相關研究成果以“Programmable Electrothermal Quad-Functional Metamaterials for Decoupled Multi-Field Control”為題，發表于材料領域國際知名期刊Advanced Materials。

圖1. 電熱四功能超材料（ETLM）的結構設計與工作原理示意圖

研究團隊創新采用場線引導坐標變換設計策略，先沿電流、熱流線實施坐標變換，精準引導能量傳輸路徑；再沿等勢、等溫線二次坐標變換，實現電場與熱場響應的徹底解耦。通過統一拓撲框架，僅需調整幾何結構與邊界條件，即可在單一器件內同步實現電壓隱身、電流聚集、溫度隱身、熱流聚集等多種獨立功能，且可通過旋轉邊界條件實現功能切換，突破了傳統電熱超材料功能單一、場響應強耦合的瓶頸。

研究人員表示，該成果首次在單一結構中實現電壓、電流、溫度、熱流四場獨立可編程操控，打破“材料屬性決定場調控能力”的傳統認知，未來可進一步拓展至聲波、彈性波等其他擴散場與波動場調控，為跨尺度、多物理場智能器件提供通用設計框架。

論文共同第一作者為中國科學技術大學博士生曹先榮、碩士生劉宜新、副研究員張兵、本科生蘇洪達；通訊作者為中國科學技術大學趙剛教授、何立群副教授以及浙江大學李鷹研究員。本文工作得到了中國科學院基礎與交叉前沿科研先導專項（B類先導專項）、國家自然科學基金以及中國科大學科交叉中心2025“璧合”交叉創新青年項目等資助。