偵察定位、制導破襲……自第二次世界大戰紅外探測裝置首次運用於戰場后，紅外探測技術歷經多次迭代，在目標探測、雷達成像等領域始終佔有一席之地。

正所謂“道高一尺，魔高一丈”，伴隨著紅外探測技術的不斷演進，紅外隱身技術的發展也步入快車道。然而在很長一段時間內，受限於材料本身的物理性質，人們還是採用降低溫度、改進設計、借助涂層等傳統方法來減少紅外輻射。直到2008年，超構材料的概念及相關研究拓展到熱學領域，才為熱隱身裝置的選材提供了一個全新的方向——熱超構材料。

發展至今，熱超構材料雖然還處於實驗階段，卻已模擬驗証了限制條件下的熱隱身，理論預言了熱偽裝以及熱幻象等熱流控制功能。今天，就讓我們一起走近熱超構材料，了解它是如何通過對熱流的巧妙編織，實現熱學領域的各種奇妙偽裝的。

從“光隱身”到“熱隱身”

談起冷熱，大家並不陌生。寒來暑往、春嵐秋風，都涉及熱量的變化流動。但在長期以來的固有印象中，“熱”都是作為一種感受而出現，與事物的表裡溫度緊緊聯系在一起。

隨著科技發展，人類從雨雪風霜、電閃雷鳴等自然現象中發現了能量，並逐漸發明出“馴化”這些能量的神奇工具。這其中就包括超構材料。簡單來說，超構材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。這種結構材料的物理性質由材料幾何特性決定，並不隻受材料本身特性影響。如果把普通材料比作一條紙帶，那超構材料則是將這條紙帶扭轉對接成莫比烏斯環，從而具備迥異的物理特性。

20世紀90年代，超構材料首先在電磁學和光學領域蓬勃發展，實驗呈現出光學負折射等新奇現象，也為真正意義上的光學隱身提供了理論基礎。這就好比《哈利·波特》裡那頂神奇的“隱身斗篷”，超構材料利用自身特殊的復合結構或復合材料即可實現隱身遁形，觀者就像被施了“障眼法”一般。

后來，有學者把超構材料的概念拓展到了聲學、彈性波，甚至力學領域。但無論是光學、電磁學還是聲學、力學領域，對超構材料的研究都基於一個共同理論基礎：傳播方式由波動方程（用來描述自然界中各種波動現象，如聲波、水波、光波等）主導。研究和操控波動方程，即可設計出具有隱身功能的光學和聲學超構材料，這也讓“裁虹剪霓、披霞為衣”的美麗傳說開始走進現實。

而在熱學領域，熱傳導需要滿足擴散方程（用來研究氣體的擴散、液體的擴散、半導體材料中雜質擴散等問題）。擴散方程與波動方程的物理機制迥異，想將超構材料由光學擴展到熱學領域，相當於僅憑借物體本身特殊的復合結構或復合材料，就看不到它的形貌，還測不准它的溫度﹔又或者說，相當於不僅給物體披上一件“光隱身斗篷”，還要披上一件“熱隱身斗篷”。這就更加難上加難了。

直到2008年，復旦大學黃吉平教授課題組首次利用變換熱學理論，設計出一類熱超構材料，從理論上預言了熱隱身等新奇的熱學性質，為人工控制熱流提供了一條全新的道路。此后，熱隱身和熱超構材料受到了各國科研人員的廣泛關注。專家學者們不斷制備出各種具有新奇熱學性質的熱超構材料，探索著實現熱隱身的途徑。

雖然超構材料在熱學領域起步較晚，但擴散方程的獨特物理性質，讓其具備了獨特的發展優勢。以光學超構材料為例，基於波動方程的光學變換理論在實現上需要考慮頻率，目前研制的光學超構材料往往應用於某單一或狹窄頻段，呈現出來的光學隱身效果並不具備普遍適用性。而基於熱傳導方程的熱超構材料則不存在頻率問題，具有更強的適用性，在足夠寬泛的邊界條件中都可以表現良好，一旦實踐投產，在生產生活中的實用價值將更加凸顯。

隱蔽熱流，堵不如疏

熱學偽裝常規做法是平衡目標與背景之間的熱輻射，最理想情況就是讓目標的紅外特征完全融合到背景中。由於武器裝備的紅外特征往往比常規環境高，所以實現熱隱身的傳統方法一般都在阻斷或減小物體本身對外熱輻射上做文章。比如，戰機在燃料中加入添加劑以降低尾噴流溫度，艦艇在鍋爐等高溫部位使用隔熱材料減小紅外特征等。

從理論基礎上來看，傳統熱偽裝很難實現真正意義上的熱隱身效果。遇到溫差變化大的復雜環境，依靠熱遮蓋和熱絕緣固化了的紅外特征，反而還會暴露自身位置。相較於“堵住”熱輻射的傳統方法，熱超構材料將功夫花到“疏導”熱流上，展現出更加廣闊的效能前景。

與相對成熟的光學或電磁隱身裝置類似，目前制備熱超構材料的主要手段，都是通過整合不同材料來實現熱導率梯度的。由於變換熱學理論對材質在不同方向上呈現的性質差異要求很高，使得實驗驗証“熱隱身斗篷”等新奇的熱學器件面臨巨大挑戰。直到2012年，美國科學家才首次制備出真正意義上的“熱隱身斗篷”。而后，科研人員相繼實驗制備出熱隱身衣、熱聚集器和熱旋轉器。

熱隱身衣。相較於傳統隱身裝置，基於熱超構材料引導熱流特性制備的隱身衣，能夠實時引導背景熱流避開被保護的物體，無論隱身區域溫度如何變化，都不會對外界的溫度分布產生絲毫影響。一旦穿上這件熱隱身衣，你在紅外探測視角中就是完全隱身的，在雪地上是一片幽藍，在火場中則是一團火焰，完美復現環境紅外特征。

熱聚集器。引導熱流避開中間區域可以做到熱隱身，而引導熱流向中間區域靠攏就能實現熱聚集。這類裝置可以作為一種非侵入式的熱器件服務於熱電效應，從而提高能量轉化效率。

熱旋轉器。基於同樣的引導熱流原理，熱旋轉器的引導對象由背景換到了核心區域，通過材料設計實現對中心區域熱流的變換引導。從外部觀測中心區域紅外特征，就像整個空間旋轉了一個特定角度，從而出現一類海市蜃樓般的現象。

七十二變，撒豆成兵

雖然熱超構材料的研究和制備目前都還處在實驗階段，但其表現出來操控引導熱流的卓越性能和加工自由度，讓這類新型材料或將在國防軍事領域大展身手。

在軍事應用方面，除了隱蔽紅外特征、實現熱學隱身外，熱超構材料的新奇性能也給指揮員提供了更多戰法選擇。尤其是熱偽裝、熱幻象技術概念的提出，讓傳說中的七十二變、撒豆成兵等神話技能在熱學觀測領域都有可能成為現實。

熱偽裝，通過設計材料的幾何結構，可以讓一名士兵周圍的溫度斑圖呈現出像一棵樹一樣的分布。這樣，敵方在夜間通過紅外探測溫度斑圖進行偵察識別時，就很容易忽視原本通過熱成像儀極易發現的隱蔽哨位。甚至於可以將固定熱源扭曲幻化成哨兵的溫度斑圖，進一步誤導迷惑敵人。

熱幻象，其核心思想是把中心部分先隱形，再引導控制中心區域物體的熱流到邊緣區域，形成一個或者多個紅外虛擬幻象，並且這些幻象還能同步反映中心區域物體的實時動態。如將該技術運用到營房帳篷設計、大型運載工具上，就能在紅外觀測領域把一個連的兵力包裝成一個營，配合聲光電仿真設備，在技術層面真正實現“撒豆成兵”。

目前，具備穩定特性、真正實現工業化生產的熱超構材料還未面世，但憑借其在理論和實踐層面展現出來的獨特性能和實用前景，我們相信在不久的將來，熱超構材料在高新技術領域的工業應用一定能夠實現。隨著制備工藝的不斷完善和科技水平不斷發展，這一新興材料一定能廣泛地應用到諸多領域，為我們的日常生活帶來驚喜與改變。（費志方 張鵬 侯融）

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