科学家展示了一种利用工程化超材料大幅增强纳米尺度间隙热传递的新方法。

热量跨越微小真空间隙的效率远高于普通热辐射理论所能解释的水平。研究人员现已证明，经过精细图案化的超材料可将这种纳米尺度能量流放大约四倍，提供了热传递可以被工程设计而非仅被被动管理的实验证据。

这项由卡内基梅隆大学、斯坦福大学和普渡大学研究人员发表在 Nature 的研究聚焦近场辐射热传递。当两个物体仅相隔数百纳米时会出现该效应，使在较大距离下可忽略的电磁相互作用主导热能交换。

热量如何跨越纳米尺度间隙

在日常距离下，物体主要通过传导、对流和热辐射等常见过程交换热量。但当表面彼此极其接近时，一个表面相关的电磁场可直接与另一个表面相互作用。能量随后可通过近场效应跨越间隙，产生远高于传统远场辐射所允许的热传递速率。

科学家已研究该现象多年，但新工作通过实验证明，人工结构可进一步增强它。研究人员将微观金结构图案化到薄膜上，然后使两个图案化表面在纳米尺度间隙两侧面对面放置。

“与常规材料不同，超材料由微小的重复图案构成，这些图案以精确方式与能量相互作用，”卡内基梅隆大学机械工程教授、该研究资深作者沈胜（Sheng Shen）说。“我们将微观金结构图案化到薄膜上，并使它们在纳米尺度间隙两侧面对面放置。与没有超材料的类似装置相比，这使热传递提升至多四倍，远超传统物理在较大距离下的预测。”

共振放大能量流

增强后的传递并非仅来自为热量提供额外路径。相反，图案化金结构与表面声子极化激元（surface phonon polaritons）相互作用；后者是与某些材料表面附近原子振动耦合的电磁波。

“金结构并非只是为热量增加更多通路，而是与材料中天然存在的能量波，即表面声子极化激元，相互作用，产生共振效应，”沈教授研究组的博士生、该研究共同第一作者王泽晓（Zexiao Wang）说。“这些耦合振动使能量能够更自由、更高效地跨越间隙。”

“这是一种协同效应，”沈说。“结构与材料彼此放大。”

为电子器件与能源系统设计热量

对热流的精确控制最终可能有助于解决现代电子学的一个核心问题。随着元件变小、计算系统变强，从高密度封装器件中排热变得越来越困难。在极小尺度上调控热传递的结构，可为芯片和其他高性能系统散热提供新途径。

同一物理机制也可能影响将热辐射转化为电能的技术。热光伏系统利用高温物体发出的光发电，因此提高热辐射效率和控制能力可改善其性能。红外传感器也可能受益于更强或更精确控制的热信号，应用范围从环境监测到国家安全。

目前，这些结果适用于在严格受控实验室条件下运行的纳米尺度结构。

“如果热量能像电或光一样被精确工程化，它可能开启一类新技术的大门，这些技术不仅用于承受热量，还用于利用热量，”沈说。

参考文献：Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu, Xiao Luo, Zhuo Li, Hyeonggyun Kim, Xiu Liu, Tianyi Huang, Yibai Zhong, Shanhui Fan and Sheng Shen, “Metamaterial-enhanced near-field radiative heat transfer,” Nature, 27 May 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10595-4