Диффузионный метаматериал
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Диффузионные метаматериалы [ 1 ] [ 2 ] являются подмножеством семейства метаматериалов , которое в основном включает термические метаматериалы, метаматериалы с диффузией частиц и метаматериалы с плазменной диффузией. В настоящее время термические метаматериалы играют ключевую роль в области диффузионных метаматериалов. Применение диффузионных метаматериалов охватывает различные области, включая управление теплом, химическое зондирование и контроль плазмы, предлагая возможности, превосходящие возможности традиционных материалов и устройств.
История
[ редактировать ]В 1968 году Веселаго ввел концепцию отрицательного показателя преломления. [ 3 ] Впоследствии Джон Пендри осознал потенциал использования искусственных микроструктур для достижения нетрадиционных электромагнитных свойств. Он провел новаторские исследования с использованием массивов металлических проволок. [ 4 ] и структуры с расщепленными кольцами. [ 5 ] Его новаторский вклад [ 4 ] [ 5 ] вызвал всплеск интереса к области электромагнитных и оптических метаматериалов. Исследователи начали сосредотачиваться на управлении поперечными волнами с помощью метаматериалов — концепции, основанной на уравнениях Максвелла, которые служат волновыми уравнениями.
В 2000 году Пин Шэн открыл явление локального резонанса в звуковых материалах. [ 6 ] которые обладают свойствами продольных волн. Это открытие расширило горизонты исследований метаматериалов, включив в них и другие волновые системы. Это расширение включало уравнения управления, такие как уравнение акустической волны и уравнение упругой волны.
В 2008 году Цзи-Пин Хуан расширил применение метаматериалов до термодиффузионных систем. [ 7 ] Его первоначальные исследования были сосредоточены на стационарных уравнениях теплопроводности. Используя теорию трансформации, он ввел концепцию тепловой маскировки. [ 7 ] В 2013 году применение метаматериалов было расширено до систем диффузии частиц, когда было впервые предложено маскировать диффузию частиц в условиях низкой диффузии. [ 8 ] Впоследствии, в 2022 году, метаматериалы были применены в плазменно-диффузионных системах. [ 9 ] где теория трансформации использовалась для разработки функциональных устройств, способных демонстрировать несколько новых явлений, включая маскировку.
Современные исследователи могут разделить сферу метаматериалов на три основные отрасли: [ 1 ] каждый из них определяется своими основными уравнениями: метаматериалы электромагнитных и оптических волн, которые включают уравнения Максвелла для поперечных волн; другие волновые метаматериалы, включающие различные волновые уравнения для продольных и поперечных волн; и диффузионные метаматериалы, которые включают диффузионные процессы, описываемые уравнениями диффузии. [ 1 ] [ 10 ] В диффузионных метаматериалах, которые предназначены для управления различными диффузионными процессами, ключевым измерением является диффузионная длина. Этот показатель меняется со временем, но на него не влияют изменения частоты. С другой стороны, волновые метаматериалы, созданные для изменения различных способов распространения волн, полагаются на длину волны приходящих волн как на критический параметр. Это значение является постоянным во времени, но меняется с частотой. По сути, фундаментальная метрика диффузионных метаматериалов явно отличается от метрики волновых метаматериалов, что свидетельствует о взаимодополняемости между ними.
Основная теория
[ редактировать ]Теория трансформации
[ редактировать ]Он обозначает теоретическую методологию, которая связывает пространственные геометрические структурные параметры с физическими свойствами, такими как теплопроводность. Это достигается за счет применения преобразований координат между двумя отдельными пространственными областями. [ 7 ] Ее корни можно проследить в области оптики преобразований, первоначально задуманной для волновых систем. [ 11 ]
Уравнения диффузии
[ редактировать ]Диффузионные метаматериалы могут быть созданы путем явного решения соответствующих уравнений диффузии с учетом подходящих граничных условий, таких как уравнения теплопроводности. [ 12 ] [ 13 ]
Теория эффективной среды
[ редактировать ]Яркие примеры теорий эффективной среды включают теорию Максвелла-Гарнетта. [ 14 ] [ 15 ] и теория Брюггемана. [ 16 ]
Теория подавления рассеяния
[ редактировать ]Предлагается этот метод, основанный на исключении соответствующих физических величин, таких как температурные возмущения. [ 12 ] [ 13 ]
Теория фазового перехода
[ редактировать ]Этот метод основан на различных типах фазовых переходов и может быть использован для создания диффузионных метаматериалов с новыми свойствами, таких как термостат с нулевым потреблением энергии. [ 17 ] и термальная мета-терраса. [ 18 ]
Компьютерное моделирование
[ редактировать ]Он включает в себя моделирование методом конечных элементов, [ 19 ] машинное обучение, [ 20 ] оптимизация топологии, [ 21 ] оптимизация роя частиц, [ 22 ] и подобные техники. [ 23 ]
Характеристическая длина
[ редактировать ]В соответствии с определением метаматериалы должны обладать характерной длиной. Например, электромагнитные или оптические метаматериалы используют падающие длины волн в качестве характерных длин, а их структурные элементы (значительно) меньше по размеру по сравнению с этими характерными длинами. Этот принцип проектирования позволяет нам получить представление об уникальных свойствах этих искусственно созданных материалов через призму теории эффективной среды. [ 1 ]
Аналогично диффузионные метаматериалы обладают аналогичными характерными масштабами длин. [ 1 ] Если взять в качестве примера тепловые метаматериалы, то характерной длиной проводящих тепловых метаматериалов является длина термодиффузии. [ 24 ] Конвективные тепловые метаматериалы характеризуются длиной миграции жидкости, тогда как радиационные тепловые метаматериалы зависят от длины волны теплового излучения.
Приложения
[ редактировать ]Диффузионные метаматериалы нашли множество практических применений. В области тепловых метаматериалов структура теплового плаща использовалась для обеспечения инфракрасной тепловой защиты в подземных убежищах. [ 25 ] Конструкции тепловых метаматериалов использовались для управления теплом в электронных устройствах. [ 26 ] а пленки с радиационным охлаждением использовались в коммерческих целях. [ 27 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Ф.Б. Ян, З.Р. Чжан, Л.Дж. Сюй, З.Ф. Лю, П. Цзинь, П.Ф. Чжуан, М. Лэй, Дж.Р. Лю, Ж.-Х. Цзян, Х.П. Оуян, Ф. Маркесони, Дж. П. Хуанг (2024 г.). «Управление диффузией массы и энергии с помощью метаматериалов». Преподобный Мод. Физ . 96 (1): 015002. arXiv : 2309.04711 . Бибкод : 2024RvMP...96a5002Y . дои : 10.1103/RevModPhys.96.015002 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ З.Р. Чжан, Л.Дж. Сюй, Т. Цюй, М. Лэй, З.-К. Линь, Х.П. Оуян, Ж.-Х. Цзян, Дж. П. Хуан (2023). «Диффузионные метаматериалы». Нат. Преподобный физ . 5 (4): 218. Бибкод : 2023НатРП...5..218З . дои : 10.1038/s42254-023-00565-4 . S2CID 257724829 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ В. Г. Веселаго (1968). «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ϵ и μ». Сов. Физ. Усп . 10 : 509. doi : 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699 .
- ^ Jump up to: а б Дж. Б. Пендри, А. Холден, В. Стюарт, И. Янгс (1996). «Крайне низкочастотные плазмоны в металлических мезоструктурах». Физ. Преподобный Летт . 76 (25): 4773–4776. Бибкод : 1996PhRvL..76.4773P . дои : 10.1103/PhysRevLett.76.4773 . ПМИД 10061377 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Дж. Б. Пендри, А. Холден, Д. Роббинс, В. Стюарт (1999). «Магнетизм проводников и усиленные нелинейные явления». IEEE Транс. Микроу. Теория Тех . 47 (11): 2075–2084. Бибкод : 1999ITMTT..47.2075P . дои : 10.1109/22.798002 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ ZY Лю, XX Чжан, YW Мао, YY Чжу, ZY Ян, CT Чан, П. Шэн (2000). «Локально резонансные звуковые материалы». Наука . 289 (5485): 1734–1736. Бибкод : 2000Sci...289.1734L . дои : 10.1126/science.289.5485.1734 . ПМИД 10976063 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с Ч.З. Фань, Ю. Гао, Дж. П. Хуан (2008). «Формованные материалы с кажущейся отрицательной теплопроводностью» . Прил. Физ. Летт . 92 (25): 251907. Бибкод : 2008ApPhL..92y1907F . дои : 10.1063/1.2951600 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ С. Генно, Т.М. Пувираджесингхе (2013). «Второй закон Фика трансформировался: один путь к сокрытию в массовой диффузии» . JR Soc. Интерфейс . 10 (83): 20130106. doi : 10.1098/rsif.2013.0106 . ПМЦ 3645418 . ПМИД 23536540 .
- ^ ЗР Чжан, Дж. П. Хуан (2022 г.). «Физика трансформационной плазмы». Подбородок. Физ. Летт . 39 (7): 075201. Бибкод : 2022ЧФЛ..39г5201З . дои : 10.1088/0256-307X/39/7/075201 . S2CID 250677117 .
- ^ Ф. Б. Ян, Дж. П. Хуан (2024). Диффузионика: процесс диффузии, управляемый диффузионными метаматериалами . Сингапур: Спрингер. АСИН 9819704863 .
- ^ Дж. Б. Пендри, Д. Шуриг, Д. Р. Смит (2006). «Управление электромагнитными полями» . Наука . 312 (5781): 1780–1782. Бибкод : 2006Sci...312.1780P . дои : 10.1126/science.1125907 . ПМИД 16728597 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Т.С. Хан, С. Бай, Д.Л. Гао, Ж.Т.Л. Тонг, Б.В. Ли, К.-В. Цю (2014). «Экспериментальная демонстрация двухслойного теплового плаща». Физ. Преподобный Летт . 112 (5): 054302. Бибкод : 2014PhRvL.112e4302H . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.054302 . ПМИД 24580600 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б HY Сюй, XH Ши, Ф. Гао, HD Sun, BL Zhang (2014). «Ультратонкий трехмерный термоплащ». Физ. Преподобный Летт . 112 (5): 054301. doi : 10.1103/PhysRevLett.112.054301 . hdl : 10356/102671 . ПМИД 24580599 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Дж. К. Максвелл-Гарнетт (1904). «Цвета в металлических стеклах и металлических пленках». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, содержащая статьи математического или физического характера . 203 (359–371): 385–420. Бибкод : 1904RSPTA.203..385G . дои : 10.1098/rsta.1904.0024 .
- ^ Дж. К. Максвелл-Гарнетт (1906). «VII. Цвета в металлических стеклах, в металлических пленках и в металлических растворах. — II» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, содержащая статьи математического или физического характера . 205 (387–401): 237–288. Бибкод : 1906RSPTA.205..237G . дои : 10.1098/rsta.1906.0007 . S2CID 123208134 .
- ^ ДАГ Брюггеман (1935). «Расчет различных физических констант гетерогенных веществ. I. Диэлектрические проницаемости и проводимости смешанных тел из изотропных веществ». Энн. Физ . 416 (7): 636–664. Нагрудный код : 1935АнП...416..636Б . дои : 10.1002/andp.19354160705 .
- ^ XY Шен, Ю. Ли, Ч.Р. Цзян, Дж. П. Хуан (2016). «Улавливание температуры: безэнергетическое поддержание постоянной температуры при изменении градиентов температуры окружающей среды». Физ. Преподобный Летт . 117 (5): 055501. Бибкод : 2016PhRvL.117e5501S . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.055501 . ПМИД 27517778 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ XC Чжоу, X. Сюй, JP Хуан (2023). «Адаптивный мультитемпературный контроль контейнеров для транспортировки и хранения с использованием материалов с фазовым переходом» . Нат. Коммун . 14 (1): 5449. Бибкод : 2023NatCo..14.5449Z . дои : 10.1038/s41467-023-40988-2 . ПМЦ 10482904 . ПМИД 37673906 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Д.Л. Логан (2012). Первый курс метода конечных элементов . Cengage Обучение.
- ^ П. Джин, Л.Дж. Сюй, GQ Сюй, Дж.С. Ли, К.-В. Цю, JP Хуан (2023). «Активные метаматериалы с помощью глубокого обучения и усиленной теплопередачей». Адв. Мэтр . 36 (5): 2305791. arXiv : 2301.04523 . дои : 10.1002/adma.202305791 . ПМИД 37869962 . S2CID 264425763 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ В. Ша, М. Сяо, Дж. Х. Чжан, XC Жэнь, З. Чжу, Ю. Чжан, GQ Сюй, Х. Г. Ли, XL Лю, С. Чен, Л. Гао, К.-В. Цю, Р. Ху (2021). «Термальные метаматериалы произвольной формы, пригодные для надежной печати» . Нат. Коммун . 12 (1): 7228. Бибкод : 2021NatCo..12.7228S . дои : 10.1038/s41467-021-27543-7 . ПМЦ 8664938 . ПМИД 34893631 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ П. Джин, С. Ян, Л. Дж. Сюй, Г. Л. Дай, Дж. П. Хуанг, Х. П. Оуян (2021 г.). «Оптимизация роя частиц для реализации двухслойных термодатчиков из объемных изотропных материалов». Межд. J. Тепломассообмен . 172 : 121177. Бибкод : 2021IJHMT.17221177J . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121177 . S2CID 233566135 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ П. Цзинь, Дж. Р. Лю, Л. Дж. Сюй, Дж. Ван, Х. П. Оуян, Ж.-Х. Цзян, Дж. П. Хуан (2023). «Перестраиваемые гибридные тепловые метаматериалы жидкость-твердое тело с топологическим переходом» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 120 (3): e2217068120. arXiv : 2208.13638 . Бибкод : 2023PNAS..12017068J . дои : 10.1073/pnas.2217068120 . ПМЦ 9934101 . ПМИД 36634140 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ М. Вегенер (2013). «Метаматериалы за пределами оптики». Наука . 342 (6161): 939–940. Бибкод : 2013Sci...342..939W . дои : 10.1126/science.1246545 . ПМИД 24264981 . S2CID 206552614 .
- ^ Группа исследований статистической физики и сложных систем (2023 г.). «Тепловой плащ: маленькая концепция, большое применение». Физика . 52 : 605-611.
- ^ Дж. К. Ким, З. Рен, А. Юксель, Э. М. Деде, П. Р. Бандару, Д. О, Дж. Ли (2021). «Последние достижения в области тепловых метаматериалов и их будущее применение в упаковке электроники» . Журнал электронной упаковки . 143 : 010801. дои : 10.1115/1.4047414 . S2CID 224993512 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ю. Чжай, Ю. Ма, С. Н. Дэвид, Д. Чжао, Р. Лу, Г. Тан, Р. Ян, С. Инь (2017). «Масштабируемый рандомизированный гибридный стеклополимерный метаматериал для дневного радиационного охлаждения» . Наука . 355 (6329): 1062–1066. Бибкод : 2017Sci...355.1062Z . дои : 10.1126/science.aai7899 . ПМИД 28183998 . S2CID 206653001 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )