熱輻射超材料重大原創(chuàng)突破 AI逆向設(shè)計革新

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2025-07-04 03:59:43 澎湃新聞

具有熱輻射性能的超材料可以把多余熱量傳遞到外界，幫助物體自動降溫。但這類人造材料的傳統(tǒng)設(shè)計方法費時費力，往往依賴于長期經(jīng)驗和反復(fù)試錯。上海交大團(tuán)隊在熱輻射超材料領(lǐng)域取得重大突破，通過構(gòu)建熱輻射超材料逆向設(shè)計AI模型，突破現(xiàn)有材料設(shè)計的限制，大批量生成熱輻射超材料候選設(shè)計方案，實現(xiàn)“優(yōu)中選優(yōu)”。

不同于自然界已有材料，超材料是一種具有特殊性質(zhì)的人造材料，可廣泛應(yīng)用于成像、通信、能源、航空航天等領(lǐng)域。熱輻射是自然界能量傳遞的基本形式，比如曬太陽會感覺到暖和，其實是皮膚在接收太陽的熱輻射。具有熱輻射性能的超材料通過向外輻射熱量來實現(xiàn)溫度調(diào)控和紅外信號調(diào)控。它可以把多余熱量傳遞到外界，穿上這種材料制作的“外衣”就像穿了一件降溫神器。熱輻射超材料在零能耗輻射冷卻、電子器件熱調(diào)控、人體熱管理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

但熱輻射超材料的傳統(tǒng)設(shè)計方法費時費力。微結(jié)構(gòu)是超材料突破自然材料限制、具備特殊功能的核心，超材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料組分設(shè)計組合起來有上百萬種可能性。熱輻射超材料的設(shè)計難點在于缺乏普適性方法，即缺乏多材料、多結(jié)構(gòu)、多維度、多參數(shù)的全自動設(shè)計范式及通用方法，缺乏一種可以實現(xiàn)三維光子結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計的通用方法。多年來，科學(xué)家們一直在探索如何才能又快又好地設(shè)計出性能符合需求的熱輻射超材料。

經(jīng)過億萬年物競天擇，大自然中的生物進(jìn)化出了許多具有超常光學(xué)和熱學(xué)特性的三維拓?fù)錁?gòu)型，可以通過熱輻射的方式進(jìn)行自身體溫調(diào)控。例如火山口附近生存著一種能夠耐受約70攝氏度高溫的天牛。它們的表面呈金色，體表覆蓋的絨毛微結(jié)構(gòu)為三棱柱狀，斜邊還分布著球形小凸起。這種獨特的結(jié)構(gòu)組合使得天牛在可見波段和紅外波段具備高光學(xué)反射率，實現(xiàn)體表降溫，從而適應(yīng)火山口附近的高溫環(huán)境。

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