沈翔瀛副教授课题组在应用为导向的非平衡态统计物理基础理论方面发表高水平成果

      非平衡态统计物理学长久以来因其固有的复杂性而被视为物理学中最棘手的疆域之一。诺贝尔奖得主伊利亚·普利高津（Ilya Prigogine）在其开创性工作中提出的“耗散结构”（dissipative structures）理论，从根本上重塑了我们对非平衡态系统的理解 。普利高津指出，当一个系统被持续地从外界注入能量，离平衡态足够“远”时，它可能不会走向混乱，反而会自发地形成宏观上有序、稳定的结构。

       近期，我院沈翔瀛副教授课题组及其合作者，围绕应用为导向的非平衡态统计物理基础理论展开深入研究，取得了一系列突破性进展。相关成果相继发表在Nature Sustainability（IF=27.1，中科院1区TOP）、Small Structures（IF=11.3，中科院2区）、Chinese Physics Letters（IF=4.3，中科院1区TOP）、Frontiers of Physics（IF=5.3，中科院2区）。

成果1：引入非互易热传输构筑超长寿命全固态弹卡制冷机

      在寻求绿色、可持续发展的今天，传统的蒸汽压缩制冷技术因其依赖于对环境有害的制冷剂而面临巨大挑战 。全固态制冷（又称卡路里制冷）技术，特别是弹卡制冷（elastocaloric cooling），被视为极具潜力的替代方案 。其原理基于某些特殊材料（如形状记忆合金）的弹卡效应：在受到压缩时放热，在载荷卸除时吸热 。这一过程高效且环保，不涉及任何全球变暖潜势高的流体工质 。   

      然而，这项前景光明的技术长期受困于一个核心的工程瓶颈：机械疲劳。在传统设计中，为了完成一个制冷循环，弹卡材料必须在每个周期内与热端（散热器）和冷端（被冷却对象）进行反复的物理接触与分离。这种往复式的机械冲击不仅导致能量损失和传热效率低下，更严重的是，它会引发材料的微观损伤累积，最终导致疲劳断裂。因此，现有弹卡制冷机的寿命通常不足十万次循环，远未达到商业化应用所需的百万次级别 。

      要解决这一痛点问题，我们必须触及物理学中的一个基石性原理：互易性（reciprocity）。在绝大多数线性、时不变的物理系统中，能量或信息的传输是双向对称的。如果一个信号（如光波、声波、热流）可以从A点传播到B点，那么它也必然可以沿着原路径从B点传播回A点。这种对称性与一个更深层次的物理规律——时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）——紧密相连 。如果将一个物理过程的“录像带”倒带播放，其展现的逆过程依然符合物理定律，那么该系统就具有时间反演对称性，其输运特性通常也是互易的。   

      因此，若要创造一条“单行道”——无论是用于光子的光隔离器，还是用于电子的二极管，抑或是我们这里需要的“热二极管”——就必须打破这种根本的对称性 。实现对称性破缺的常用手段包括施加磁场（法拉第效应）、使用运动介质（斐索效应），或引入强烈的非线性效应。

       研究团队将“非互易热传输”（non-reciprocal heat transfer）这一前沿物理概念，创造性地引入到固态制冷系统的设计中。他们设计并集成了一种基于超材料的特殊单元，其功能如同一个智能的“热阀门”或“热二极管”。

       这个热阀门的工作机制精妙而高效。在制冷循环的压缩阶段，弹卡材料因受压而温度升高，此时热阀门自动“开启”朝向热沉（hot sink）的通道，允许热量高效地流出并散发到环境中。而在卸压阶段，弹热材料温度骤降，此时热阀门则“关闭”流向热沉的通道，同时“开启”朝向冷源（cold source）的通道，高效地从需要制冷的空间中吸收热量。最关键的一点是，这种对热流方向的精准“门控”，完全是在静态构型下实现的，无需弹卡材料与冷热两端发生任何物理位置的改变或机械接触的分离。  

       通过引入这个非互易热传输单元，研究团队从根本上解决了机械疲劳这一核心痛点。由于避免了往复的机械冲击，他们研制的弹热制冷机原型样机，在抗屈曲的压缩模式下，成功实现了超过200万次的无故障运行。这一数字将设备的使用寿命提升了一到两个数量级，同时还获得了高达 242.8 mWcm−2 的冷却热通量，为下一代绿色制冷技术的商业化应用迈出了决定性的一步。

       相关工作以“Sustainable all-solid elastocaloric cooler enabled by non-reciprocal heat transfer”为题发表于Nature Sustainability ，沈翔瀛副教授为共同通讯作者。

成果2：基于倒易空间拓扑反转实现高稳定下拉胀超材料

       物理世界充满了奇妙的材料，其中“拉胀超材料”（Auxetic metamaterials）无疑是极具代表性的一类。与我们日常经验中“拉长即变细”的直觉相反，拉胀材料在受到拉伸时横向会膨胀，而在受到压缩时横向则会收缩，即具有负的泊松比（Poisson's ratio）。这种反常的力学行为使其在冲击防护、能量吸收、可展开结构等领域拥有巨大的应用潜力。  

       然而，长久以来，拉胀材料的设计一直面临着“性能”与“稳定性”的内在矛盾。传统的设计范式高度依赖于特定的、精巧的几何构型，如“内凹”蜂巢结构或“手性”单元。这些设计虽然能够实现负泊松比，但其结构往往具有较低的配位数（即每个节点连接的杆件数量很少），这天然地导致了它们在宏观上机械性能不稳定、强度较差，极大地限制了其实际应用。

       研究团队并未执着于在真实空间中“修补”几何构型，而是提出了一个更深层次的问题：在倒易空间中，是什么决定了泊松比的正负？

       他们的研究对象是一个力学上极其稳定、基础的三角形晶格网络。令人惊讶的发现是，无需引入任何复杂的内凹或手性结构，仅仅通过一个简单的操作——将构成晶格的三角形单元的底角从锐角调整为钝角——就能精确地使材料的泊松比从正值平滑地转变为负值，从而实现拉胀行为。   

      这一看似简单的几何调整，其背后隐藏着一个深刻的物理现象。理论分析揭示，当三角形底角跨越某个临界值（60度，即等边三角形）时，该材料在倒易空间中的声子谱带结构发生了一种剧烈的、性质上的改变，研究者将其称为“倒易空间拓扑反转”（reciprocal space topology reversal）。

       为了量化并预测这一转变，团队定义了一个关键的几何判据 D。这个参数 D 的物理意义是倒易空间中某格点与其最近邻格点之间的距离减去它与次紧邻格点之间距离。D的符号直接决定了泊松比的符号。当 D>0 时，材料表现为常规的正泊松比；当 D<0 时，材料则转变为拉胀的负泊松比。从正到负的转变，恰好发生在 D 穿越零点的时刻 。这说明三角晶格倒易空间中最近邻与次紧邻格点的交换对应宏观力学特性中正负泊松比翻转的涌现行为。

       基于这一全新设计范式所创造的拉胀超材料，由于其基础结构是稳定的三角形晶格，因而拥有高达 z=6 的配位数，其机械稳定性远超传统设计。实验中，通过3D打印制作的原型样品完美验证了理论预测，其负泊松比值可逼近 −1 的理论极限。在能量吸收测试中，该材料的比能量吸收（SEA）值比传统手性结构高出一个数量级，展现了其作巨大的应用前景。

      相关工作以“Achieving Auxetic Metamaterials through Variations in the Reciprocal Space Topology of the Triangular Lattice”为题发表于Small Structures，沈翔瀛副教授为共同通讯作者。

成果3：揭示热力耦合新机制，构想自驱动微型热机

       当一个开放系统被持续注入能量，远离热力学平衡态时，其原有的稳定状态可能变得不再稳定。在这一临界点附近，通常会被抑制和耗散掉的微小涨落，反而会被系统放大，从而驱动系统跃迁到一个全新的、宏观上有序的动态结构中 。这一从简单到复杂的突变过程，在数学上通常由“分岔”（bifurcation）理论来描述。   

       在众多分岔类型中，霍普夫分岔（Hopf bifurcation）尤为重要，因为它描述了节律（rhythm）的诞生。霍普夫分岔是一个普适性的机制，它指出当系统的某个控制参数（如温度、能量输入速率）越过一个临界阈值时，一个原本稳定的静态解（在动力学系统中称为“不动点”）会失去其稳定性，并“生出”一个稳定的周期性振荡解（称为“极限环”）。这正是从静止到振动、从无序到时间有序的根本转变，这一过程广泛存在于激光器、捕食者-被捕食者生态模型、化学振荡反应等截然不同的系统中。

       在本文中沈翔瀛副教授提出了一个简洁而普适的物理模型，揭示了一种全新的热力耦合自振荡机制 。该模型描述了一个放置在热平板上的薄弹性片，当平板温度超过一个临界值TC时，弹性片原有的静态弯曲状态会通过霍普夫分岔（Hopf bifurcation）失稳，从而激发出自持的、稳定的周期性振荡。

       该振荡的物理本质是一个精巧的反馈循环：加热使弹性片弯曲，弯曲改变了其与热源的接触，进而影响自身温度，温度的变化又反过来影响其机械刚度，最终形成稳定的振荡周期 。文章通过理论分析和数值模拟，系统地阐明了材料的热软化效应、系统刚度、热力耦合强度等关键物理参数对振荡行为的控制规律 。更重要的是，该工作明确指出，这个自振荡的弹性片可以作为一个自主运行的热机（heat engine），持续地将热能转化为对外做功的机械能 。该模型为设计基于热驱动的软体机器人、自适应结构和微型热能收集装置提供了重要的理论基础和设计准则。相关工作以“Self-Excited Oscillations in a Thermomechanical Elastic Sheet”为题发表于Chinese Physics Letters,该工作由沈翔瀛副教授独立完成。

成果4：热力学与热超材料路线图

       作为热力学与热超材料领域的活跃贡献者，沈翔瀛副教授受邀作为共同通讯作者之一，与超过50位专家学者合作，在物理学知名期刊Frontiers of Physics上共同撰写了题为“Roadmap on thermodynamics and thermal metamaterials”的领域发展路线图综述。该路线图旨在系统总结过去二十年间，热力学与热超材料领域从基础理论突破到功能器件实现的各项进展，为未来研究确立一个宏观框架和清晰轨迹 。文章内容涵盖了从声子晶体中的热传导调控、变换热学、非互易热传输，到拓扑热学、非厄米物理等前沿理论，及其在热隐身、辐射制冷、热电转换等方面的应用。

       沈翔瀛副教授在其中重点撰写了关于“基于温度依赖性变换热效应的热超材料”（Thermal metamaterials based on the temperature dependent transformation thermotics）的章节（Chapter 7）。该章节系统阐述了如何利用材料随温度变化的非线性热响应来实现非互易传热并设计功能可切换、对环境自适应的自组织智能热器件。

研究团队简介

       课题组负责人沈翔瀛，中山大学副教授，博士生导师，广东省杰青、中山大学“逸仙学者”优秀学者、深圳市海外高层次人才B类，长期从事非平衡态统计物理研究，在设计多物理场耦合驱动的自组织、自适应系统上取得多项重要研究成果。其领导的课题组主要聚焦于（1）机器学习与结构优化（2）多物理场耦合自适应自组织系统（3）非平衡态统计物理基础研究。欢迎感兴趣的老师和同学与研究团队交流，联系方式：shenxy66@sysu.edu.cn。