贴贴涂涂的新材料能够在晴朗的正午降温5.9℃，比传统涂料有更好的降温效果，能够为建筑节能、城市热岛效应的缓解带来新方案。不仅地面建筑受益，在太空干燥环境、高温热辐射隐身功能、沙漠降温等场景中都能发挥作用的新材料或将井喷而至。7月3日，在上海交通大学吕志和科学园，上海交大材料科学与工程学院周涵教授发布最新成果，团队领衔的研究在人工智能（AI）热辐射超材料领域取得重大原创突破，构建的热辐射超材料逆向设计AI模型突破传统“试错式”方法，能够大批量生成热辐射超材料候选设计方案，并从中“优中选优”。相关成果于北京时间7月2日晚登上《自然》杂志。
图说：上海交大团队领衔成果登上《自然》杂志
批量设计“热量快递员”
热辐射超材料可以把多余的热量“打包”传递到外界，穿上这种材料制作的“外衣”就像穿了一件降温神器。科学家们一直在探索如何又快又好地设计出性能符合需要的热辐射超材料。然而传统的设计方法费时又费力，需要从百万中微结构设计及材料组分设计组合中依赖于长期经验和反复试错，仿佛在迷宫里摸黑找路。
AI的引入带来了新局面。周涵研究团队从大自然中获取灵感，提炼出了多种三维结构单元和空间排列方式，通过首创的“三平面建模法”建立了庞大的数据集，并以机器学习技术训练出性能卓越的热辐射超材料模型，能够根据需要输入光谱等参数，就能快速、精准地生成超材料的多种设计方案。研究团队还以实验验证了AI模型设计出的4种热辐射超材料，涵盖了柔性薄膜、涂料、贴片等多种实际应用形式，创制的热辐射超材料可广泛应用于建筑节能降温、航天热控等诸多重要领域。
图说：典型热辐射需求的实验验证及户外热测试结果
曾经不被看好的研究
这项登上国际顶刊的研究背后，是科研团队数年的“登峰”过程，甚至还经历过不被看好的阶段。师从张荻院士，周涵教授积累了许多从自然界探寻新材料灵感的经验。“比如生存在火山口的天牛，多亏了身上的绒毛才得以降温，能够在70度的环境中生存。我们经过微观观察，发现这些绒毛具有球型和三棱柱的结构，能对可见波段和红外波段有很好的散射率和反射率。”除了甲虫，鱼、蝴蝶等生物都有这样的特殊构型，团队便将其中的结构基元、空间排布方式等信息提取出来，构建了一个庞大的生物构型数据库。
30多种生物构型，产生了5万多组数据参数，能否利用计算机来建模，把数据整理起来、用起来？大约8年前，周涵就萌生了这样的想法。当时AI还没有火起来，这一研究方向没有立刻得到支持。即便如此，她仍然觉得，越来越庞大的数据一定会带来更多的科学突破，传统的“试错”方式之外一定有空间。
在吕志和科学园，周涵组建了自己的课题组，博士生肖诚禹的加入带来了可能。此前小肖的研究领域聚焦金属材料，但是他会编程，参加过建模比赛，也对代码兴趣浓厚。于是这项探索就落在肖诚禹的身上。庞杂的观测数据要化为可用的参数，庞大的数据集等待高通量计算分析，新的模型需要一行一行敲出代码……四年多的博士研究生涯里，肖诚禹逐渐入门，历经瓶颈，甚至曾想放弃，终于在导师的坚持和陪伴下迎来突破。
这一AI模型不仅能“发明”新材料，还能从中挑选出那些更适合大规模使用、成本更低的超材料。以典型的双波段选择性超材料为例，该材料仅需简单的溶液法就能在室温下制备，以涂料的形式可直接应用在砖墙、金属、塑料和玻璃等常见物体的表面，就像给物体用上了防晒降温霜。能耗模拟显示，在中低纬度地区，将该材料应用于建筑屋顶可实现75 MJ/m2的理论节能效果，相当于节省20度电。此外，这种材料成本低、应用形式灵活，从建筑外墙到随身衣物，从户外设施到电子产品，这种物美价廉的“降温能手”将在各个领域大显身手，让高科技降温真正走进千家万户。
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