20世纪90年代,超构材料首先在电磁学和光学领域蓬勃发展,实验呈现出光学负折射等新奇现象,也为真正意义上的光学隐身提供了理论基础。这就好比《哈利·波特》里那顶神奇的“隐身斗篷”,超构材料利用自身特殊的复合结构或复合材料即可实现隐身遁形,观者就像被施了“障眼法”一般。
后来,有学者把超构材料的概念拓展到了声学、弹性波,甚至力学领域。但无论是光学、电磁学还是声学、力学领域,对超构材料的研究都基于一个共同理论基础:传播方式由波动方程(用来描述自然界中各种波动现象,如声波、水波、光波等)主导。研究和操控波动方程,即可设计出具有隐身功能的光学和声学超构材料,这也让“裁虹剪霓、披霞为衣”的美丽传说开始走进现实。
而在热学领域,热传导需要满足扩散方程(用来研究气体的扩散、液体的扩散、半导体材料中杂质扩散等问题)。扩散方程与波动方程的物理机制迥异,想将超构材料由光学扩展到热学领域,相当于仅凭借物体本身特殊的复合结构或复合材料,就看不到它的形貌,还测不准它的温度;又或者说,相当于不仅给物体披上一件“光隐身斗篷”,还要披上一件“热隐身斗篷”。这就更加难上加难了。
直到2008年,复旦大学黄吉平教授课题组首次利用变换热学理论,设计出一类热超构材料,从理论上预言了热隐身等新奇的热学性质,为人工控制热流提供了一条全新的道路。此后,热隐身和热超构材料受到了各国科研人员的广泛关注。专家学者们不断制备出各种具有新奇热学性质的热超构材料,探索着实现热隐身的途径。
虽然超构材料在热学领域起步较晚,但扩散方程的独特物理性质,让其具备了独特的发展优势。以光学超构材料为例,基于波动方程的光学变换理论在实现上需要考虑频率,目前研制的光学超构材料往往应用于某单一或狭窄频段,呈现出来的光学隐身效果并不具备普遍适用性。而基于热传导方程的热超构材料则不存在频率问题,具有更强的适用性,在足够宽泛的边界条件中都可以表现良好,一旦实践投产,在生产生活中的实用价值将更加凸显。