上海交大科研團(tuán)隊(duì)在熱輻射超材料領(lǐng)域取得了重大突破，他們成功開發(fā)出一種基于人工智能（AI）的逆向設(shè)計(jì)模型，這一創(chuàng)新成果將極大地加速熱輻射超材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)程。相關(guān)研究成果已在《自然》雜志上發(fā)表。
熱輻射超材料是一種特殊的人造材料，具有出色的熱輻射性能，能夠?qū)⒍嘤酂崃坑行鬟f到外界，從而實(shí)現(xiàn)物體的自動(dòng)降溫。這類材料在零能耗輻射冷卻、電子器件熱管理以及人體熱調(diào)節(jié)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且高度依賴于經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)，這極大地限制了熱輻射超材料的研發(fā)速度和應(yīng)用范圍。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，上海交大的研究團(tuán)隊(duì)從自然界中汲取靈感，特別是那些通過熱輻射方式進(jìn)行體溫調(diào)控的生物體。他們觀察到，某些生物體表面獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)組合使其能夠在極端環(huán)境下保持體溫穩(wěn)定。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提煉出多種三維結(jié)構(gòu)單元和空間排列方式，并建立了龐大的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了“三平面建模法”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維結(jié)構(gòu)單元的精準(zhǔn)描述。隨后，他們利用這一方法訓(xùn)練了一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型，該模型能夠根據(jù)所需的光譜特性快速生成多種熱輻射超材料的設(shè)計(jì)方案。這一逆向設(shè)計(jì)模型不僅極大地提升了設(shè)計(jì)維度和速度，還確保了所生成方案的高性能。
為了驗(yàn)證AI模型的實(shí)際效能，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)了四種熱輻射超材料，并進(jìn)行了戶外實(shí)測(cè)。結(jié)果顯示，這些超材料均展現(xiàn)出優(yōu)異的自降溫效果。在晴朗的正午，寬波段超材料下的表面溫度比環(huán)境溫度降低了5.9℃；而在多云條件下，單波段選擇性超材料的降溫性能更為顯著，表面溫度降低了4.6℃。在城市建筑群模擬環(huán)境中，單波段選擇性超材料的降溫效果也優(yōu)于寬帶超材料和商用白漆涂覆表面。
Nature論文首頁(yè)截圖。
這些AI設(shè)計(jì)的熱輻射超材料不僅性能卓越，而且制備成本較低，應(yīng)用形式靈活多樣。例如，雙波段選擇性超材料僅需簡(jiǎn)單的溶液法即可在室溫下制備，并能直接應(yīng)用于磚墻、金屬、塑料和玻璃等常見物體表面。能耗模擬顯示，在中低緯度地區(qū)，將該材料應(yīng)用于建筑屋頂可實(shí)現(xiàn)顯著的理論節(jié)能效果。
這一研究成果標(biāo)志著機(jī)器學(xué)習(xí)在超材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大進(jìn)展，為熱輻射超材料的快速研發(fā)和應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。未來(lái)，這些創(chuàng)新的超材料有望在建筑節(jié)能、城市熱島效應(yīng)緩解以及個(gè)人熱管理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為打造更加綠色、節(jié)能的城市環(huán)境貢獻(xiàn)力量。
課題組研發(fā)的材料展示。
