很多人都有过网购的经验，当购买鱼虾之类的生鲜制品时，就能注意到店家为了保证货物品质，会使用泡沫箱封装货物，并在里面装上冰袋，以进一步延长保温时间。
你会发现这些冰袋中填充了一些材料。对于这些材料来说，更专业的叫法是“相变材料”。其原理是利用材料在相变阶段的近似恒温特性，来为泡沫箱内部环境提供恒定的温度，从而对物品进行温度控制。即通过在单个区域内，布置单个热源或单个冷源的方式来实现多温度控制。
多温度控制的需求，广泛存在于日常生活和工业领域。比如，在一栋办公楼中，不同房间可能需要设置不同的温度，以满足用户的不同需求。又比如，在货物运输场景下，当不同货物的温度需求不同时，就需要采用多温度控制的方法来确保货物品质。
对于货物运输来说，固然可以继续使用上述方法实现多温度控制，但会存在以下两个不足之处。
首先，从相变控温原理来看，假如物体对温度的要求比较高，那么相变材料的相变温度就要和物体的需求温度保持一致。考虑到运输过程中的便利性、经济性、以及相变控温的有效时长，这就要求相变材料本身的热学性质、化学稳定性都得比较好。
假如自然界里没有符合上述要求的材料，就需要人为开发符合要求的复合相变材料，而这会导致前期投入比较大。
其次，使用相变材料来控制温度，然后使用绝热材料隔开不同温度区域以便实现多温度控制的做法，并没有完全解决不同温度的物体之间的传热问题。
当物体之间的温差比较大时，可能需要输入额外的能量，以便消除热传导对于多温度控制的不利影响。
由此可见，为了提高控温效率，很有必要发展高效的多温度控制技术。基于此，复旦大学教授黄吉平 团队使用热超构材料，在一对冷热源之间构建一个梯田型的温度分布结构，借此提出一种高效型多温度控制方案。
图 | 黄吉平（来源：黄吉平）
其原理在于：在冷热源之间的介质之中会出现温度降落，而只要能够调控温度降落，构建出多个近似恒温的平坦区域，并让这一区域的温度正好与货物温度需求一致，即可实现上述目标。
也就是说，这种方案可以降低对于热源和冷源的要求，即让热源的温度比货物的温度需求高，冷源的温度比货物的温度需求低。
同时，这一方案充分利用了不同温度物体之间的传热。所有物体都能为多温度控制做出贡献。
（来源：Nature Communications）
通过利用本次方案，课题组设计出一种工程样件，并将其命名为“多温恒温箱”。在制造“多温恒温箱”的时候，该团队为了展现多温度控制方案的应用价值，采用了此前已被用于冷链物流的相变控温技术，以此来设计“多温恒温箱”的移动热源和移动冷源。
事实上，面向不同应用场景例如中央空调系统、生物领域等需要同时控制多种微生物活性的场景，除了使用本次的多温度控制方案之外，也可以使用其他方法打造移动热源和移动冷源。 整体来看，在各类具有高效多温度控制需求的场景中，多温度控制方案都有一定潜在价值。
（来源：Nature Communications）
在论文中，他们展示了“多温恒温箱”的理论设计框架、计算方法、以及具体设计步骤。
假如相关公司需要同时运输多种不同温度的货物，可以直接采用上述设计方法来制作相应器件，从而在物流运输领域发挥作用。
将志愿者用保温箱送饭，和本次课题加以结合
据了解，黄吉平课题组的博士毕业生周鑫晨，是本次研究的主力人员。此次课题最早来源于他俩之间的一次讨论。
有一次，周鑫晨告诉黄吉平可以通过调节系统热学/结构参数，实现某一功能区域的温度控制，从而实现保温功能。
然而，当时的想法还不够清晰，于是黄吉平引导周鑫晨对研究意义进行明确，即提出一个具体的新功能或新理论。
不久之后，周鑫晨结合工程技术的相关文献，和黄吉平讨论了多温度控制、以及多温恒温箱的想法及其可行性，随后定下了本次课题。
由于理论推导部分并不复杂，因此周鑫晨很快就提出了解析理论并加以模拟验证。
后来，在一次讨论中黄吉平建议周鑫晨要提出更加具备普适性的理论，以提升这一研究的应用范围。
提出更完善的理论之后，周鑫晨开始实施实验计划。期间，黄吉平要求每个实验要都重复 5 次，取平均值之后给出误差棒，借此提升分析结果的可靠性。
同时，他们还设计了一个理论模型，以用于估算“多温恒温箱”的有效保温时间。假如根据实际情况对该模型加以优化，预计将对工程应用提供更多指导。
（来源：Nature Communications）
而在撰写论文期间正值疫情封校，饭菜都是由志愿者用保温箱统一配送，这让他们更加切身体会到保温的重要性。
试想，如果能用多温度控制实现一种多温恒温箱，以实现对多种物体的保温，就能提升配送的效率及品质，这对于紧急情况之下的送餐必将大有裨益。
以此为灵感，他们当时以疫情期间的物流输运为应用背景，让论文内容加以丰富。
其中，他们在论文初稿中使用了 life necessities 这一词组。用它来描述所运输的物体，似乎更能展现多温度控制的迫切性，而且和当时 COVID-19 的背景也很吻合。
但是，当论文正式送审到 Nature Communications 时，已经是 2023 年 2 月。此时疫情已经基本被战胜，COVID-19 这类关键词更是成为过去式。
这时，审稿人和期刊编辑建议他们将 life necessities 替换为 goods，以提升本次论文的普适性，同时也拓宽了本次成果的应用前景。
最终，相关论文以《相变材料实现运输和储存容器的自适应多温度控制》（Adaptive multi-temperature control for transport and storage containers enabled by phase-change materials）为题发在 Nature Communications ，周鑫晨是第一作者，黄吉平担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
从单区域保温到多区域保温
如前所述，在打造“多温恒温箱”时课题组使用相变材料来充当移动热源和移动冷源。而假如开发一些高性能复合相变材料，来替换现有的移动热源和移动冷源，必将进一步提升“多温恒温箱”的保温性能。
对于类梯田结构的多温度控制来说，本次论文是领域内的开先河者。为了便于展示本次成果，该团队采用了左、右两端的高低温恒温边界，以及上、下、前、后四面的绝热边界。
但是，在实际应用中很难实现完全的绝热，因为内部环境和外界环境不可避免地存在热交换，多温度控制效果也必然会打折扣。
因此，他们下一步打算在保温箱内构建三对高低温的恒温边界，利用本次提出的方案实现多温度控制，借此完全屏蔽外界环境的影响，从而进一步提升控温效果。
另据悉，变换热学和热超构材料——是黄吉平 实验室的主要研究方向，这一方向同时包含基础研究和工程应用。
具体来说，2016 年，该团队在 Physical Review Letters 上发表了一篇关于零能耗保温的论文，借此报道了一款新型恒温器，它可以在环境温差变化的情况下，维持功能区域温度的恒定，而且无需额外能量的输入。
就基础研究而言，2016 年这项工作基于非线性热传导给出了一个新理论，并基于此实现了一个新功能。由于温差广泛存在于环境中，例如建筑物阴面和阳面、月球表面等，因此这种功能的应用前景十分宽泛。
2019 年，该团队又对上述工作加以迭代，即在原有保温功能的基础上，增加了对外输出电能的功能，相关论文发表于 Physical Review Applied 。
而 2023 年这项工作，可以看作是上述两项保温工作的推广。此前两项课题都是围绕单个区域保温做研究，而本次工作则实现了多个区域的保温，这意味着该团队基于热超构材料来实现保温的研究，向工程应用迈进了新的一步。
参考资料：
1.Zhou, X., Xu, X. & Huang, J. Adaptive multi-temperature control for transport and storage containers enabled by phase-change materials. Nat Commun 14, 5449 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40988-2
