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，长期面临效率难以同步提升的约束。
针对这一问题，研究团队在TPMS（三周期极小曲面）超材料领域提出了一种新的学术思想：从“热学基因”出发理解复杂结构的传热机制。团队不再停留于整体结构参数比较，而是首次将复杂TPMS结构解构为更本征的最小传热单元，揭示其内部存在一组在不同方向重复排列、却本质等价的“内禀流道单元”。这些决定整体热传输行为的最小功能基元，被概括为TPMS的“热学基因”。
研究表明，真正决定TPMS散热性能高低的，并不仅仅是传统意义上的比表面积或孔隙率，而是两个更深层的结构因素：流道均匀性与流道空间密度。基于这一热学基因框架，团队建立了从局部几何到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结构具有最优潜力。
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结构在综合换热效率指标上实现了最高156倍于传统基准结构的提升，与理论预测高度一致。
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。
