摘要：研究人员发现，当热扩散线穿过冷材料时，材料熔化得更快，就像树杈一样——随着时间推移树结构自由发散，熔化率持续提高。这一发现可能有助于提高相变储能系统，在确保可再生能源顺畅中可能扮演重要作用。

 

图片来源：Adrian Bejan/杜克大学（Duke University）

研究人员发现，当热扩散线穿过冷材料时，材料熔化得更快，就像树杈一样——随着时间推移树结构自由发散，熔化率持续提高。这一发现可能有助于提高相变储能系统，从熔化的材料（如蜡或盐）中储存热量，在确保可再生能源（如风和太阳）顺畅中可能扮演重要作用。相关研究结果发表于AIP出版的《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）。

分支模式，就像研究人员在熔融材料中发现的那样，在自然界中反复出现，如树冠、三角洲等等。类似的模式出现在看似不同的系统中，因为相同的基本物理定律推动进化设计，北卡罗来纳州（North Carolina）杜克大学（Duke University）Adrian Bejan教授如是说。

1996年，Bejan确定了这些自然界分支现象的背后物理机制，他称之为“构形定律”（Constructal Law），表述为了生存的流动系统——就像河流或树木，它们必须随时间进化，以便流质能越来越容易的穿过它们。实践中这意味着河流在流入大海之前将改变其航线以避开由泥沙沉降引起的阻碍，植物将调整其分支以促进养分和水的流动。

接下来的20年，Bejan及其同事展示了各种由Constructal Law解释的自然和人为设计的演变过程，从雪花到飞机。

“这是有组织的自然发生在我们周围，构形定律Constructal Law是物理学原理的基础。”Bejan说，“剩下的就是智慧和依靠该原理快速推进技术设计。”

新论文中，Bejan与杜克大学（Duke University）和法国图卢兹大学（Université de Toulouse）研究员一起，应用该定律提高相变储能技术的性能。

材料可在稳定温度下发生相变（如熔化或凝固）来储存或释放大量热能，相变储能系统就利用这个特点。应用于建筑上，白天吸收热量，晚上再释放出来；也可应用于航天器上，管理热流；还可以用于太阳能发电装置来储存多余的能量。

“传统建筑在相变材料中嵌入加热和冷却线圈，但我们的研究表明，自然发生的也是最好的传输热量的方式：树枝状结构，就像有很多手指的手一样。“Bejan说。研究人员发现，这些“手指”的长度、数量和分支角度随时间演变可提高整体熔化率。

更快的熔化率很重要，因为这意味着热能有效的传递到系统中相变材料有限的量。如果系统用于汽车储能，（重量过大会使其变慢）最大限度的将热传递到相变材料就显得特别关键。Bejan补充说到。

一般来说，分支结构越复杂，熔化过程越快，但存在边际效用递减规律。“想像一下具有数十亿个微小手指的分支结构。你会说算了！”Bejan说。最后，人类设计师将会选择在某一点中断改进序列，因为增加复杂性引起的成本和时间消耗太大。

构形定律（Constructal Law）表明自然系统是不断进化的。技术将遵循同样的路径，Bejan说。“你可以想象有一天相变技术将有一个固定的树状结构，但它在接下来的几年内被更好的结构所取代。”Bejan说。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮