近日，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与合作者在热超构材料领域首次提出并严格论证了“热扩散不变量”（Heat Diffusion Invariant）这一普适性物理概念，从根本上建立了热功能与材料属性之间的内在联系，解决了长期以来瞬态热超构材料精准、高效设计的核心难题。相关成果以“Heat Diffusion Invariant”为题，发表于Physical Review Letters [Phys. Rev. Lett. 135, 067103 (2025)]。
在物理学中，不变量是揭示复杂系统背后深刻规律的基石，例如拓扑不变量被广泛用于对结构几何特征进行分类。然而，在功能层面，尤其是在热学领域，一直缺乏一个能够统一描述不同功能（如隔热、聚热、旋转热流等）的普适性不变量。传统的热超构材料设计方法，例如变换热学、散射相消法等，通常聚焦于特定功能与特定形状开展设计。由此所设计出的材料参数不仅复杂，而且彼此之间存在显著差异。特别是在应对瞬态（随时间变化）以及任意形状（自由曲面）的热调控问题时，这类方法会遭遇设计效率低下、材料实现难度大的双重困境。
研究团队提出的热扩散不变量，巧妙地揭示了热扩散率与稳态温度场之间的内在关联。该不变量的数值统一了各类瞬态热学功能：所有能实现热“隐身”效果的器件（如热隐身衣、热聚集器）都拥有与背景环境相同的热扩散不变量值；而不变量值若发生改变，则会产生特定的热散射现象，即“热幻像”。基于此，团队建立了一种全新的正向设计范式：只需确定稳态下的热导率，便可通过该不变量直接、精确地解析出瞬态调控所需的体积热容，极大地提升了设计自由度和效率。基于该理论，团队成功设计并实验验证了一款仅由各向同性材料构成的自由曲面瞬态热隐身衣——这在以往被认为是极具挑战性的任务。
这项成果不仅为热隐身、热幻像、热加密等新奇热现象的瞬态实现提供了简洁而精确的理论指导，也为解决热管理、新能源系统热控制等实际工程问题开辟了新路径。热扩散不变量的概念具备进一步拓展应用的潜力，可将其推广至其他扩散系统，例如流体渗透、颗粒扩散，甚至电荷输运等领域。可以预见，该概念有望在更为广泛的非平衡输运研究范畴内发挥作用。
热扩散不变量概念图。(a)用于几何分类的拓扑亏格g; (b)用于功能分类的热扩散不变量λ; (c)扩散不变量的物理起源。
论文网址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cny8-szn7