华中科技大学胡润团队CRPS：不同功能与任意形状多物理场超材料的场耦合拓扑优化设
原创 Cell Press CellPress细胞科学
物质科学 Physical science
超材料是具有特殊性质的人工结构材料，其研究范围从光学开始，迅速扩展到其他领域，如声学、热学等。在过去十年里，人们见证了超材料的巨大进展，诸如隐身、聚集、旋转、伪装等功能相继被实现。然而，大部分材料都只能工作在一个特定的物理场下，热学超材料只能定向调控热流，电学超材料只能定向调控电流。不同物理场由不同的控制方程和材料性质所控制，因此实现多物理场超材料的关键挑战是如何同时实现不同物理场下的不同材料性质。此外，相较于相同功能的多物理场超材料，不同功能的多物理场超材料实现起来更为困难，不同功能必然导致不同物理场下材料性质的分布差异。
近日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上在线刊发了华中科技大学胡润副教授团队关于多物理场超材料设计的最新研究成果。论文题目为《不同功能与任意形状多物理场超材料的场耦合拓扑优化设计》(Field-Coupling Topology Design of General Transformation Multiphysics Metamaterials with Different Functions and Arbitrary Shapes)，华中科技大学研究生朱展为第一作者，华中科技大学胡润副教授为通讯作者。
在该工作中，作者首先基于均一化理论和拓扑优化，提出能同时实现特定热导率和电导率的场耦合拓扑优化方法。其设计流程为：1.初始化材料分布 2.通过均一化理论计算当前热导率和电导率 3.计算目标函数和约束 4.判断结果是否收敛 5.若不收敛，基于目标函数和约束的灵敏度更新设计变量，直到结果收敛。作者以特定的热导率和电导率为例，验证该方法的准确性，通过理论验证发现，该方法设计的材料分布能实现准确的目标热导率和电导率，设计材料中的温度场、电势场与理想温度场、电势场分布基本一致。
图1.场耦合拓扑优化方法验证。(a)目标热导率和电导率 (b,c)场耦合拓扑优化方法设计的材料分布 (f,i)设计材料分布下的温度场、电势场 (e,h)理想温度场、电势场 (d,g)截线上的温度场、电势场数值比对
接下来，作者采取先离散单元，后集成的思想实现多物理场超材料。首先将设计区域离散成若干正方形单元，针对每个单元位置设计特定的材料分布；最后将每个单元的材料分布集成起来实现整体材料分布设计。基于该思想，设计多物理场超材料时自由度更高，可以实现不同功能任意形状的多物理场超材料，改善了传统散射消除方法对于规则形状和相同功能的限制。
图2.场耦合拓扑优化方法与散射消除方法比对。(a,b)场耦合拓扑优化方法设计原理 (d,e)散射消除方法设计原理 (c)单个离散单元材料分布的迭代设计过程
最后，作者对于所设计的多物理场超材料效果进行验证。如图3所示，热聚集电隐身超材料在不同角度的温度/电势梯度下，均展现了良好的热聚集、电隐身效果，验证了方法的准确性和鲁棒性。
图3. 不同角度温度/电势梯度下，热聚集电隐身超材料的模拟验证。
此外，作者对不同功能和不同形状的多物理场超材料进行了设计。在不同功能不同形状的组合下，所设计的多物理场超材料均展示了预期效果，证明了所提出的场耦合拓扑优化设计方法的通用性。
图4. 不同功能和形状组合下的多物理场超材料
文章小结：作者基于场耦合拓扑优化方法，设计了具备不同功能和任意形状的多物理场超材料，验证了该方法的准确性和通用性。相比传统的散射消除方法，场耦合拓扑优化方法可以实现不同功能和任意形状的多物理场超材料设计。此外，基于自由度更高的拓扑优化设计原理，更多材料、结构、功能可以在该通用设计框架中被计算实现。该方法也有望进一步拓展至热学、电学之外的其他领域。
作者简介
胡润
副教授
胡润，华中科技大学能源学院副教授、博士生导师。先后赴美国普渡大学做访问学者和日本东京大学做JSPS特聘研究员。主要研究方向为传热传质、热学超构材料和功能器件、光电子器件热管理等。以第一或通讯作者发表Nature Communications、Science Advances、Physical Review X、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Today、National Science Review、Nano Energy等高水平SCI论文80余篇，其中4篇为ESI高被引论文，发表论文被Advanced Science News、Phys.Org、MRS Bulletin、Materials View China等权威科技新闻媒体亮点报道。15次在国内外重要学术会议上做特邀报告，7次担任国际学术会议分会场主席。主持国家自然科学基金4项（面上、国际合作项目、青年项目）、国家重点研发计划子课题3项，以及省市级课题、企业委托项目等。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Cell Reports Physical Science上
▌论文标题：
Field-coupling topology design of general transformation multiphysics metamaterials with different functions and arbitrary shapes
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(23)00337-5
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101540
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