随着制造水平的飞速提升，电子器件日趋小型化和高度集成化，在工作过程中热量不断积累，导致器件的输出功率大幅度衰减，无法充分地发挥器件的最佳性能，多余的热量可能在电子器件中形成热墙，导致器件的损坏。因此寻找具有高热导率的散热材料已经成为半导体领域的关键研究问题，也是进一步缩小晶体管尺寸延续摩尔定律的卡脖子关键技术。此外，对于深空深海领域等极低温或极高温工作条件下使用的电子器件，保证芯片的正常工作需要对器件进行保温或者隔热，在新能源汽车中为了确保电池的工作效率与使用寿命，也需要调控其工作温度在一个适中的范围。所以，高性能热管理器件的开发是现代电子学、声子学、以及废热利用等技术进一步发展面临的关键挑战。

       但是，在目前已有的研究报道中，相关热管理器件性能仍无法满足热管理应用场景的需求，例如对于热开关，在开关前后材料热导率的变化仅在一个数量级内，导致热开关比较小，这将直接影响器件性能的进一步提升。热量在材料中有两种载流子—电子与声子，在绝缘体中声子作为主要载流子，而在金属中电子将成为主要载流子。这说明存在金属—绝缘体转变的材料有着制造高性能热管理元件的潜力。故本研究将基于二维剪纸拓扑结构设计超材料，赋予其特殊拓扑变形模式，进而在变形过程中影响材料的电荷分布，改变主导热载流子的种类，从而设计并制备高性能热管理器件的材料。

       此工作基于二维蜂窝剪纸机构设计了一种具有超高热开关比的氮掺杂多孔石墨烯超材料，在 1% 应变下具有27.78的热开关比，在小变形的情况下实现了金属-绝缘体转变。该研究推动了高性能热管理器件的开发，在纳米级热计量以及微电子学的热管理等领域中发挥具有一定的潜力。此外，该研究提供了一种纳米功能材料的设计范式，建立了机构运动学和超材料拓扑性能之间的联系。该研究得到国家自然科学基金、腾讯基金（科学探索奖）、中国博士后科学基金等项目的资助。

       课题组丁向东教授、高志斌副教授团队与天津大学陈焱教授团队合作，在高性能热管理器件研究方面取得重要进展。他们将一种新型二维蜂窝剪纸机构映射至石墨烯，设计出一种氮掺杂多孔石墨烯（NPG）超材料，通过第一性原理计算与分子动力学模拟，使得特殊的拓扑结构赋予其旋转变形行为，在小变形的情况下实现了金属—绝缘体转变，进而改变了材料中的主要载热单元，在 1%应变下获得27.78的超高热开关比。上述成果以“Kirigami-inspired thermal regulator”为题发表于物理学权威期刊（Phys. Rev. Applied 19, L011001 (2023)）。论文的共同通讯作者为高志斌副教授、陈焱教授与丁向东教授，共同第一作者为西安交通大学硕士生欧阳泓溢与天津大学博士生顾元庆。

       文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.L011001