在材料科學(xué)的浩瀚星空中，一顆璀璨的新星于近日升起。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院及張江高等研究院的博士研究生肖誠(chéng)禹，攜手其導(dǎo)師周涵教授、張荻院士，以及新加坡國(guó)立大學(xué)的仇成偉院士和美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的鄭躍兵教授，共同在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上發(fā)表了一篇題為“Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning”的研究論文。
該研究論文的發(fā)表，標(biāo)志著在熱輻射超材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了重大突破。熱輻射，作為一種無需介質(zhì)便能實(shí)現(xiàn)能量遠(yuǎn)距離傳輸?shù)姆绞剑涑牧贤ㄟ^微結(jié)構(gòu)調(diào)控輻射性能，在輻射冷卻、建筑節(jié)能、電子熱控等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往受限于結(jié)構(gòu)構(gòu)型與材料參數(shù)的高度耦合，難以高效應(yīng)對(duì)大規(guī)模結(jié)構(gòu)空間的全局優(yōu)化問題。
面對(duì)這一挑戰(zhàn)，肖誠(chéng)禹及其團(tuán)隊(duì)從自然生物的三維拓?fù)錁?gòu)型中汲取靈感，提出了一種創(chuàng)新的“三平面建模法”，精準(zhǔn)描述復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了涵蓋多材料、多構(gòu)型的超材料數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了具備逆向生成能力的AI模型，能夠根據(jù)目標(biāo)光譜性能自動(dòng)生成高性能熱輻射超材料方案。這一方法不僅突破了傳統(tǒng)試錯(cuò)法的經(jīng)驗(yàn)依賴，還顯著提升了設(shè)計(jì)效率與維度，為熱輻射超材料的智能化、定制化設(shè)計(jì)開辟了新的道路。
為驗(yàn)證AI模型的設(shè)計(jì)能力，研究團(tuán)隊(duì)基于其生成的結(jié)果，制備并實(shí)測(cè)了七種具有代表性的熱輻射超材料，包括寬帶、單波段及雙波段選擇性類型。這些材料在多種戶外環(huán)境中均展現(xiàn)出了顯著的自降溫效果，如在晴朗中午，寬帶材料表面溫度比環(huán)境低5.9°C；在多云天氣下，單波段材料降溫達(dá)4.6°C。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了AI模型“按需生成”熱輻射材料的可行性與實(shí)用性。
肖誠(chéng)禹的科研之旅始于對(duì)仿生光子學(xué)、輻射冷卻與動(dòng)態(tài)熱調(diào)控材料的濃厚興趣。在導(dǎo)師周涵教授的悉心指導(dǎo)下，他逐步建立起嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)的科研邏輯，形成了理論分析、方法構(gòu)建與工程實(shí)現(xiàn)的貫通能力。面對(duì)課題推進(jìn)過程中的理論瓶頸與實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，肖誠(chéng)禹從未放棄，而是與導(dǎo)師及團(tuán)隊(duì)成員緊密合作，不斷激發(fā)新的靈感與突破口，最終攻克了關(guān)鍵問題，提出了具有獨(dú)創(chuàng)性的熱調(diào)控材料設(shè)計(jì)方法。
在談及此次研究的突破時(shí)，肖誠(chéng)禹表示：“我們的研究實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)范式到材料性能的雙重突破。傳統(tǒng)熱輻射材料的研發(fā)大多依賴人工經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)優(yōu)化，而我們通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)，建立了一種可拓展、可遷移的智能化設(shè)計(jì)范式。同時(shí)，我們還實(shí)現(xiàn)了超寬帶與多波段選擇性輻射調(diào)控的統(tǒng)一突破，為熱輻射材料的研發(fā)效率和實(shí)用性都提升了一個(gè)量級(jí)。”
此次研究成果的發(fā)表，不僅是對(duì)肖誠(chéng)禹及其團(tuán)隊(duì)科研實(shí)力的肯定，更為熱輻射超材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了新的思路和方法。未來，隨著該技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，有望在輻射冷卻、建筑節(jié)能、電子熱控等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。
