iScience特刊：热管理研究前沿-基础与应用
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Interdisciplinary
能源系统的未来依赖于对方向和操作温度具有灵敏非线性关系的热控制装置的发展，以实现更高效的能源管理、转换和存储目标。该领域顺应潮流的发展在构建更友好的未来环境当中发挥着中坚力量，并且与世界能源路线图的发展高度一致。现今，热能领域持续探索不同的作用机制，以满足不同领域提出的多种需求，包括但不限于导管、二极管、开关、调节器或晶体管等热控制设备正不断丰富着人类所能使用的热元件工具箱，目的是提供更优越更新颖的热功能，如热路由、热隐身、热开关和热整流等。通过将基础知识与工程原理相结合，研究者们设计出多种新型热控制装置，可实现不同大小尺度和温度范围的场景应用。
本期iScience特刊将重点关注与热控制设备相关的新趋势及其在电子、建筑、外太空、热转换或热存储等领域的新应用，致力于为材料科学、固体物理、机械、电气、化学和计算机工程领域的科研机构和企业研究人员提供新的见解和思路。
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精选论文
综述论文
可穿戴设备的热管理和热控制
近几十年来，可穿戴设备的兴起推动了开发柔性或可拉伸材料及其相关结构、电子和光电性能的研究发展。与传统设备一样，可穿戴设备中的电子和光电子元件必须保持在一定的温度范围内，才能确保其性能和/或功能性的可靠运行。与此同时，可穿戴设备应避免使用笨重的散热器或其他热传导增强元件。此外，由于可穿戴设备贴近人体皮肤，因而对热舒适性和安全性提出了更高的要求。当前已有越来越多的文献关注可穿戴设备的热管理或热控制，以及相关新材料和结构的开发。基于此，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Y. Sungtaek Ju教授在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience发表了题为“Thermal management and control of wearable devices”的综述论文，旨在概述与可穿戴设备热管理和热控制相关的材料和结构，并就未来的研究方向给予建议。
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研究论文
非接触式散热：高太阳反射、红外透明的多孔涂层
日间被动辐射制冷（Passive daytime radiative cooling, PDRC）通过反射太阳光，以辐射的方式将热量通过大气透射窗口散发至外太空。然而，对于非接触式散热，除了高太阳反射率之外，高的红外透过率也是十分有必要的。基于此，来自中南大学的陈梅洁副教授和闫红杰教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience发表了题为“Highly solar reflectance and infrared transparent porous coating for non-contact heat dissipations”的研究论文，团队开发了一种具有红外透明特性的多孔PE涂层（P-PE），其太阳反射率为0.96，红外透过率为0.88，并探索了其用于非接触式散热的应用。在860 W m-2太阳光的直接照射下，该红外透明涂层可以使得下方物体的温度比相同条件下利用常规辐射制冷膜制冷时低4℃。除此之外，在空气或水处理后，P-PE涂层的光谱反射率未见明显改变，展示出适应于户外使用的优异耐久性。结果表明，作者所研发的P-PE涂层可作为一种直接在太阳光照射下实现非接触式散热的红外透明涂层使用。
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基于辐射制冷的夜间发电装置实现超过100 Mw/m2的功率密度
近期研究表明，外太空（温度仅为3 K）可作为一种重要的热力学资源。早在几十年前人们就已经知道，在夜间，面向天空的热发射器可在大气透明窗口（8-13 μm）内向外太空强烈辐射，从而实现低于环境温度的制冷目标。近期的研究进展提出，利用上述提及的热发射器和环境之间的温度差，通过热电发电机来发电。然而，研究中所能达到的功率密度严重受制于寄生热损耗。针对该问题，来自斯坦福大学（Stanford University）的范汕洄（Shanhui Fan）教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience发表了题为“Radiative-cooling-based nighttime electricity generation with power density exceeding 100 mW/m2”的研究论文，展示了如何通过热工程减少这些能量损耗。研究团队设计了一个简单的模型，即通过控制发射器面积与热电发电机热阻之间的关系，可以达到最佳功率密度。实验研究显示，堆叠多个热电发电机是接近最佳功率密度的有效方法，可实现高于100 mW/m2的功率密度。
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基于自对准GST纳米柱结构的偏振驱动热发射调节器
热辐射调节器研究的不断进步引起了人们的广泛关注，特别是在红外辐射源、热管理和伪装等方面。尽管在高可控性动态热辐射器方面取得了可喜成绩，但这些技术仍需要持续的外部能量来维持所需的辐射。在这项研究中，来自光州科学技术院（Gwangju Institute of Science and Technology）的Young Min Song教授和庆熙大学（Kyung Hee University）的Sun-Kyung Kim教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience发表了题为“Polarization-driven thermal emission regulator based on self-aligned GST nanocolumns”的研究论文，提出了一种基于双向控制的偏振驱动热发射调节器，其双向控制方式包括相变和偏振调节。基于传统的非挥发性相变材料Ge2Sb2Te5（GST），研究向其中新引入了一种各向异性介质，可在不产生热能消耗的情况下实现发射率的便捷调节。研究人员利用一种严格的耦合波分析方法，通过简单的掠射角沉积工艺，诱导出具有各向异性的倾斜自对准纳米柱阵列，为找到最佳结构参数提供了设计指南。通过热成像光谱测量，所制备的样品显示出对偏振敏感的热调节功能。此外，研究人员还制造了一种多光谱可视/热伪装贴片进行概念验证演示，该贴片可在特定偏振状态下进行加密信息的识别。
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CellPress细胞出版社
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