近日，上海理工大学基础学部物理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心青年教师杨福宝博士与中国工程物理研究院研究生院、复旦大学、新加坡国立大学、南通大学等单位合作者，在扩散超构材料领域取得重要进展。8月4日，相关研究成果以“借助物理‑几何对偶效应的仿生扩散超材料”（Biomimetic diffusion metamaterials enabled by physical-geometric duality）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。杨福宝博士为该论文共同第一作者（排序第一），上海理工大学基础学部物理学院是该论文的第一完成单位。论文的通讯作者是须留钧副研究员（中国工程物理研究院研究生院）、黄吉平教授（复旦大学）、仇成伟教授（新加坡国立大学）。南通大学戴高乐教授参与合作研究。
扩散输运广泛存在于热管理、能源利用、软物质输运和多物理场调控等系统中。近年来，热超构材料通过人工结构设计实现了热隐身、热聚集、热旋转和热伪装等新功能，为操控热流提供了新路径。然而，自由形超构材料长期面临功能与制造之间的矛盾：几何变换方法能够保证全向功能，却通常需要空间非均匀、各向异性的复杂参数；物理等效方法便于用各向同性材料直接实现，但往往依赖特定外场方向。当外部温度梯度方向改变或温度场变为非线性时，器件性能容易退化。
针对这一挑战，研究团队从自然界叶片生长中的保角特征获得启发。叶片在不均匀、各向异性的局部生长过程中，仍可通过保持局部角度来降低弹性能量。团队将这一几何图像引入扩散超构材料设计，建立了由物理等效参数和温度场直接确定几何变换雅可比矩阵的物理-几何对偶关系。由此得到的扩散对偶超构材料虽然具有强各向异性和非均匀性，但其主轴天然沿着局域热流线和等温线排列，而这两类场线在器件内部保持相互正交。
论文原理图
这一机制显著简化了复杂张量参数的实现方式。传统方案往往需要先给定目标各向异性导热张量，再通过优化或后处理寻找可制造结构；在本工作中，设计者只需沿局域场线方向排布由各向同性材料组成的层状复合结构，即可无优化地实现相应的空间变化各向异性导热张量。研究团队进一步通过有限元模拟和实验验证了该范式：所设计的自由形热隐身器件在水平、竖直以及由角点热源产生的非线性温度场下，均能保持背景等温线不受扰动，并使被保护核心区域维持近似均匀温度。
除自由形热隐身外，该物理-几何对偶范式还可与拓扑优化等单向设计方法结合，将任意来源的单向物理场直接转化为全向超构材料设计；同时，它还可扩展到方向依赖功能、瞬态热调控以及直流电场等系统。该成果为发展兼具自由形状几何、全向性能和直接制造能力的新型扩散超构材料提供了新的设计路径，也有望为质量输运、电荷扩散、散射光传播、流体系统和静磁场等更广泛体系中的场调控提供新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76322-9
