上海交通大学在热学超材料领域取得重要进展。相关研究成果以Sub-Unit-Cell Logic Governs Transport in TPMS Architectures为题，发表于国际知名期刊《先进科学》（Advanced Science），并入选期刊内封面（Inside Cover）。
该论文第一作者为钟豪章博士后，通讯作者为上海交通大学顾剑锋教授、RMIT University马前杰出教授、香港城市大学吕坚院士以及上海交通大学俞彬彬博士。研究从全新视角揭示了复杂结构中热输运的基本机制。
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DOI:10.1002/advs.202523188
先进散热结构设计创新
AI设备越来越强大，但也越来越“热”。芯片、边缘计算模块、服务器乃至机器人系统，都面临更高热流密度带来的散热挑战。如何在有限空间里把热量更快带走，已经成为先进电子系统发展的关键问题。
研究团队此次关注的是TPMS超材料。TPMS内部具有连续、交织而复杂的流道网络，因此一直被认为很适合用来做高性能换热器。
图1 子单元示意图(本征传热单元 Sub-unit cell)
但过去大多数研究主要在单位胞层面比较不同结构，很难真正解释：这些结构到底为什么散热好，性能差异又源自哪里。为解决这个问题，团队提出了一种新的思路：把TPMS继续往下拆，拆到比单位胞更小、更本征的层级，也就是子单元（sub-unit cell，即尺度小于晶胞的结构基本构元）。
图2. 基于晶体对称性分析与Voronoi分解方法，将Fischer–Koch TPMS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，揭示了TPMS结构中最小传热功能基元的内在构成。
通过晶体对称性分析和Voronoi分解，研究人员发现，每一种TPMS实际上都可以被看作由很多个完全相同、只是方向不同的流道子单元构成。也就是说，复杂的整体性能，本质上来源于这些子单元如何在空间中重复、排列和连接。
图3. 基于子单元（sub-unit-cell）框架，对TPMS结构设计空间进行系统筛选与对比，建立结构参数与传热性能之间的关联关系，实现高效传热结构的定量评估与优选。
在这一框架下，团队发现，真正决定散热性能高低的，不是简单的“表面积越大越好”，而是两个更关键的子单元特征：流道是不是足够均匀，以及这类流道子单元在单位结构里是不是足够密集。
图4. 采用绿激光选区熔化（GL-PBF）技术制备高质量纯铜TPMS结构，展示其复杂三维流道的高精度成形能力及良好的结构完整性。
图5. 铜TPMS换热器的液冷热交换实验验证结果，表明其在实现高传热效率的同时显著降低流动阻力，体现出优异的综合性能（高j/f），验证了所提出设计方法的有效性。
基于此，团队建立了新的性能预测模型，并筛选出Fischer–Koch结构作为最优候选。随后，团队使用绿激光金属3D打印技术制备出纯铜TPMS样件，并进行了液冷热交换测试。实验结果表明，该结构的综合换热效率相较传统基准结构实现了最高156倍提升。这说明，理解TPMS的关键，不只是看整体外形，更要看到其内部子单元层级的结构逻辑。
这一成果为AI散热器和新型热交换器的设计提供了新的基础，也表明：复杂超材料可以从sub-unit cell层面被真正解码与精准设计。
共同打开超材料世界新方向！欢迎加入研究团队
上海交通大学顾剑锋教授团队长期致力于超材料方向的系统性研究，重点布局力学超材料、热学超材料、生物医用超材料以及结构–功能一体化材料体系，形成了从理论设计、增材制造到性能验证的完整研究链条。 团队现诚邀对超材料研究感兴趣的博士、博士后加入合作，共同开展前沿探索与交叉创新。
联合研发与技术合作
同时，围绕TPMS等热学超材料体系，团队已构建涵盖空冷、液冷及浸没式冷却在内的多尺度实验测试平台与系统化研究能力，可面向复杂工况开展性能评估与优化设计。 研究团队诚挚欢迎来自数据中心、汽车电子、芯片热管理等领域的企业与团队开展联合研发与技术合作，推动超材料在工程场景中的落地应用。
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