夜雨聆风
近日，上海交通大学顾剑锋教授团队联合国内外学者在复杂传热超材料研究中取得重要进展，相关成果以“Sub-Unit-Cell Logic Governs Transport in TPMS Architectures”为题发表于国际权威期刊 Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.202523188），并入选期刊内封面（Inside Cover）。该论文第一作者为钟豪章博士，通讯作者为顾剑锋教授、马前杰出教授（RMIT University）、吕坚院士（香港城市大学）和俞彬彬博士（上海交通大学），从全新视角揭示了复杂结构中传热行为的内在机理。
随着人工智能芯片、边缘计算设备和高功率电子系统持续向高集成、高热流密度方向发展，散热已成为限制性能提升与系统可靠性的关键瓶颈。传统散热器大多依赖管式、板式等经典结构，在强化换热的同时往往伴随更高流阻，长期面临换热能力与流动阻力难以协同优化的约束。在这一背景下，具有三维连续互连结构的TPMS（Triply Periodic Minimal Surface）超材料因其独特的几何特征被认为具备突破这一瓶颈的潜力，但其复杂拓扑与传输性能之间的内在关联机制始终缺乏清晰认知。
针对这一问题，研究团队在TPMS超材料中提出了一种新的分析范式：以“热学基因”为类比，重新理解复杂结构中的传热机制。不同于传统基于单胞平均参数（如比表面积、孔隙率等）的描述方式，该工作首次将TPMS结构解构为更本征的最小传热单元 (conduit-like sub-unit cell)，揭示其内部由一组在不同空间方向上重复排列、却在功能上等价的“内禀流道单元”所构成。这些主导整体传热行为的最小功能基元，被类比为TPMS的“热学基因”，从而实现了从局部结构到整体性能的跨尺度映射。
研究进一步表明，决定TPMS散热性能的关键，并不仅在于传统意义上的比表面积或孔隙率，而是两个更本质的结构因素：流道均匀性与流道空间密度。基于这一“热学基因”框架，团队建立了连接局部几何特征与整体传热性能的预测模型，并在27种代表性TPMS拓扑中识别出Fischer–Koch结构展现出最优的综合性能潜力。
为验证理论，团队采用绿光激光粉末床熔融技术成功制备出高质量纯铜TPMS换热样件。实验结果显示，该铜基Fischer–Koch结构在j/f指标上实现了最高数倍于传统基准结构的提升。
这项工作的重要意义在于，它首次赋予TPMS结构一个可解释、可预测、可设计的“热学基因”框架，为下一代AI芯片散热器、紧凑型换热器及新型热传输超材料的开发提供了新的理论基础与工程路径。
图1：文章截图
图2：子单元示意图
图3： 基于晶体对称性分析与Voronoi分解方法，将Fischer–Koch单元结构解构为48个彼此等价、仅取向不同的类流道子单元。
图4 描述子单元（sub-unit-cell）层面的几何与拓扑参数，用于表征并调控结构的内禀传输行为。
图5：基于数值模拟，对六种典型TPMS换热器在液冷条件下的传热性能进行对比评估（假设材料为铜）。
图6： 铜TPMS换热器的实验验证结果，表明其在液冷条件下实现了显著提升的传热效率，体现出性能范式的突破。
本团队长期致力于超材料方向的系统研究，涵盖力学超材料、热学超材料、生物医用超材料及结构–功能一体化材料体系。欢迎对超材料感兴趣的博士、博士后加入合作！
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