上海交大科研團隊在熱輻射超材料領域取得了重大突破，他們成功開發(fā)出一種基于人工智能（AI）的逆向設計模型，這一創(chuàng)新成果將極大地加速熱輻射超材料的設計與優(yōu)化進程。相關研究成果已在《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，從而實現(xiàn)物體的自動降溫。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)等領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統(tǒng)的設計方法不僅耗時費力，而且高度依賴于經(jīng)驗和反復試驗，這極大地限制了熱輻射超材料的研發(fā)速度和應用范圍。

面對這一挑戰(zhàn)，上海交大的研究團隊從自然界中汲取靈感，特別是那些通過熱輻射方式進行體溫調(diào)控的生物體。他們觀察到，某些生物體表面獨特的微結(jié)構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)，研究團隊提煉出多種三維結(jié)構單元和空間排列方式，并建立了龐大的三維復雜結(jié)構數(shù)據(jù)集。

在此基礎上，團隊首創(chuàng)了“三平面建模法”，實現(xiàn)了對三維結(jié)構單元的精準描述。隨后，他們利用這一方法訓練了一個深度學習模型，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計方案。這一逆向設計模型不僅極大地提升了設計維度和速度，還確保了所生成方案的高性能。

為了驗證AI模型的實際效能，研究團隊針對特定應用設計了四種熱輻射超材料，并進行了戶外實測。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論文首頁截圖。

這些AI設計的熱輻射超材料不僅性能卓越，而且制備成本較低，應用形式靈活多樣。例如，雙波段選擇性超材料僅需簡單的溶液法即可在室溫下制備，并能直接應用于磚墻、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)，將該材料應用于建筑屋頂可實現(xiàn)顯著的理論節(jié)能效果。

這一研究成果標志著機器學習在超材料設計領域的重大進展，為熱輻射超材料的快速研發(fā)和應用提供了強有力的支持。未來，這些創(chuàng)新的超材料有望在建筑節(jié)能、城市熱島效應緩解以及個人熱管理等領域發(fā)揮重要作用，為打造更加綠色、節(jié)能的城市環(huán)境貢獻力量。

課題組研發(fā)的材料展示。