低温保存是实现生物样本长期储存的重要手段。对于大尺度组织和器官，玻璃化保存要求在降温过程中实现快速且均匀的热量传递，以避免冰晶形成和热应力损伤。然而，生物组织自身导热性能较低，且低温流体与组织界面存在显著热阻，尤其是由微观声子失配引起的界面热阻，严重限制了低温传热效率与温度均匀性。因此，如何降低界面热阻并调控组织表面热流分布，是推进复杂组织和器官低温保存应用的关键基础问题。
近日，中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室液态金属与低温生物医学研究中心围绕低温流体与生物组织之间的强化传热问题，提出了一种高导热适形化界面材料介导的传热调控新策略，并据此构建了跨越微观界面热阻、界面材料传热和宏观组织冷却过程的跨尺度理论模型。研究以镓基液态金属为代表性高导热适形化材料，综合运用分子动力学模拟、计算流体力学仿真、传热理论建模和实验验证，系统揭示了该材料降低界面热阻、增强表面热扩散、提升降温均匀性的作用机制（图1）。
在微观尺度上，研究首先从微观尺度揭示了液态金属界面层对低温流体—生物组织界面热阻的影响（图2）。团队分别构建了液态金属—液氮、皮肤组织—液氮的分子动力学模型，采用非平衡分子动力学方法计算界面温度梯度和热流密度。结果表明，引入液态金属界面层后，界面热阻由48.74×10⁻⁹ m²·K/W 降至6.15×10⁻⁹ m²·K/W，降低近一个数量级，说明该材料能够有效削弱由声子失配导致的微观界面传热瓶颈。
在宏观尺度上，研究团队建立了液氮—液态金属界面层—皮肤组织的三维耦合传热模型，并在完成网格无关化验证和努塞尔数（Nu）对比验证的基础上（图3），分析了外部流场参数和界面层厚度对冷却过程的影响。结果显示，相同雷诺数条件下，含液态金属界面层的模型具有更高的初始冷却速率，并能改善下游区域冷却不足的问题；随着外部流速提高，组织表面温度分布更加均匀，有助于降低温度梯度和潜在热应力（图4）。界面层厚度对传热性能同样具有重要影响，50–200 μm涂层均能提升初始冷却性能，其中约200 μm涂层在冷却速率和温度均匀性之间达到最优平衡；当涂层进一步增厚至300或400 μm时，附加导热层自身热阻增强，反而降低初始传热效率并削弱温度均匀性（图5）。
在微观界面热阻计算和宏观传热模拟基础上，团队通过理论推导建立了用于描述界面材料介导冷却过程的跨尺度数值传热模型。该模型将液态金属层和生物组织简化为二维传热体系，并将微观界面热阻引入等效换热边界条件，从而将微观分子尺度的界面热输运参数与宏观尺度的组织温度场演化相联系。通过稳态-瞬态解分离、变量分离和特征值求解，研究获得了界面温度随时间和空间变化的理论描述，使模型不仅能够解释不同流场和涂层厚度下的冷却规律，也能够预测实际冷却过程中的温度响应。实验测量结果与模型预测吻合良好——液态金属层介入的样品在各位置均表现出更强的瞬时冷量传递能力，进一步验证了模型的有效性。
本研究建立了一种从微观界面机制贯通至宏观冷却过程的跨尺度建模方法，实现了微观热输运机制、界面材料特性与组织温度场演化之间的定量关联。未来，该模型可进一步耦合组织非均质结构、低温相变、保护剂扩散、血管网络传热与热应力损伤等过程，发展为面向复杂组织和器官低温保存的多物理场预测工具；同时也可用于构建“分子结构—界面热阻—材料厚度—冷却效果”的跨尺度关联，为高导热适形化材料的设计与工艺优化提供理论依据。
相关研究以 Multiscale numerical model for high-conductivity adaptive materials mediated enhanced heat transfer between cryogenic fluid and biological tissue 为题发表于Applied Physics Reviews。理化所博士研究生杨斯睿为论文第一作者，饶伟研究员为通讯作者。研究得到中国科学院战略性先导科技专项、北京市联合基金、理化所所长基金及低温科学与技术全国重点实验室课题的支持。
图1. 高导热材料通过适形化接触、降低界面热阻和增强平面热扩散能力，实现生物组织快速均匀冷却的基本机制
图2. 微观界面传热分子动力学模型
图3. 建立并验证了液氮—界面材料—生物组织三维耦合传热模型
图4. 液态金属介入下提高外部流速，可同步提升初始冷却速率和表面温度均匀性
图5 液态金属涂层厚度存在阈值，~200 μm可兼顾冷却速率与温度均匀性
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