近日，上海理工大学理学院变换热学、统计物理与复杂系统研究中心黄吉平教授作为通讯作者，在Chemical Reviews期刊发表了题为“Topology in Thermal, Particle, and Plasma Diffusion Metamaterials(热、颗粒与等离子体扩散超构材料中的拓扑学)”的长篇综述。Chemical Reviews作为美国化学会的旗舰综述期刊，其影响因子长期位居世界前列（2024年影响因子为55.8），以发表兼具深度与前瞻性的综述而著称。上海理工大学理学院是该综述论文的合作完成单位。
在我们周围的世界里，扩散无处不在——小到一滴墨水在清水中晕开，大到热量在芯片中传导，本质上都是物质或能量自发从高浓度区域向低浓度区域扩散的过程。它是自然界中最基本的传输现象之一。
那么，能否像指挥交通一样，精确地“驾驭”这些扩散过程呢？扩散超构材料的出现让这个设想成为可能。这类经过特殊设计的人工材料，拥有天然材料所不具备的奇特性质，能够对热流、颗粒流等进行前所未有的精确操控。
与此同时，一个看似无关的数学分支——拓扑学——正悄然改变着我们对物理世界的认识。它最初研究的是物体在连续变形下保持不变的性质（比如一个甜甜圈与一个带柄咖啡杯在拓扑上是等价的），如今已成为凝聚态物理领域的前沿热点，并催生了获得诺贝尔物理学奖的研究成果（2016年）。
当扩散超构材料的精准控制能力，与拓扑学固有的“坚固”特性相遇，一场技术革命便拉开了序幕。 这两者的结合，为我们理解和控制质量与能量的传输，提供了一个突破性的全新框架。这篇综述探讨的，正是这个飞速发展的新兴领域——基于拓扑扩散超构材料的拓扑扩散学（图1）。
为什么说它特别重要？ 关键在于“稳健性”。拓扑原理的引入，使得基于它设计的扩散系统对外界的干扰和缺陷具有极强的“免疫力”。这意味着，无论是热管理、颗粒输运还是等离子体控制，系统都能保持稳定、精确的运行，这对于实际应用至关重要。
这个领域的理论基础，融合了拓扑物理的基本原理和扩散超构材料的核心理论（如变换理论等）。本文将系统梳理这些知识，并展望其在化学、生物、医学工程等多学科领域的广阔应用前景：从微型芯片的高效散热，到精准送达病灶的靶向药物，再到半导体制造中的精密等离子体刻蚀，拓扑扩散超构材料有望带来颠覆性的控制能力。
图1. 拓扑扩散学(topological diffusionics)的学科地图。
论文信息: Liu et al., Chem. Rev. 2025, 125, 8655−8730
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.4c00912