每到盛夏，為了對抗高溫，我們習(xí)慣性地打開空調(diào)，讓室內(nèi)降溫。然而，涼爽的背后，是源源不斷的電力消耗和越來越沉重的碳排放負(fù)擔(dān)。在全球變暖和能源緊張的雙重壓力下，有沒有一種方法，不用插電、不用制冷劑，也能讓房子自己散熱降溫？

科學(xué)家們的答案，指向了一種物理機制，被動輻射降溫。它依賴于材料與大氣之間的能量交換，將熱量直接輻射到寒冷的外太空。然而，要讓這種降溫高效且適用于各種環(huán)境，需要極為精確地調(diào)控材料在不同波段的光和熱輻射性能。這不僅是一道科學(xué)難題，更是一道設(shè)計難題。

在《自然》上發(fā)表的相關(guān)研究（圖片來源：參考文獻[1]）

如今，人工智能正在悄然改寫這道難題的解法。借助機器學(xué)習(xí)，科研團隊不再局限于試錯式的材料開發(fā)，而是可以在虛擬空間中同時探索成千上萬種三維結(jié)構(gòu)與材料組合，并精準(zhǔn)預(yù)測它們的降溫效果。最近，來自德州大學(xué)奧斯汀分校聯(lián)合上海交通大學(xué)、新加坡國立大學(xué)和瑞典于默奧大學(xué)的研究團隊，就用AI設(shè)計出了一批性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)涂料的新型材料，它們能讓屋頂在烈日下比白漆還涼上20攝氏度。

AI如何“雕刻”能降溫的材料

要讓材料在不同波段的光和熱之間有選擇性地反射或發(fā)射，這份選擇性太過復(fù)雜了，涉及到材料的電子帶隙、折射率、化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性，還要考慮它們的三維微結(jié)構(gòu)如何與光相互作用。傳統(tǒng)方法往往依賴科研人員的經(jīng)驗和反復(fù)試驗，既耗時又容易錯過最佳方案。

而最近的研究的突破在于引入了機器學(xué)習(xí)驅(qū)動的逆向設(shè)計平臺。它的工作邏輯與人類工程師不同，不是從已有材料中挑選再改進，而是直接從目標(biāo)性能反推結(jié)構(gòu)和材料組合。研究團隊先建立了一個超大的“設(shè)計空間”，收錄了32種源自自然界的三維結(jié)構(gòu)原型，如球體、棱柱、圓柱、螺旋等，并允許它們以有序、隨機或梯度方式排列。每個結(jié)構(gòu)都能搭配30種候選材料，從陶瓷到聚合物，再到金屬。

基于機器學(xué)習(xí)的通用逆向設(shè)計模式（圖片來源：參考文獻[1]）

為了描述這些復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，團隊開發(fā)了一種三平面建模法，將每個結(jié)構(gòu)拆分為上、中、下三個平面，用11個參數(shù)精確編碼形狀、尺寸、連接方式等信息，再與材料的光學(xué)參數(shù)如不同波段的折射率n和消光系數(shù)k結(jié)合，形成“設(shè)計指紋”。這套編碼方式讓AI可以在計算機中自由“拼搭”出成千上萬種結(jié)構(gòu)—材料組合，并預(yù)測它們在0.25–2.5 μm的太陽光波段和3–25 μm的紅外波段的反射與輻射表現(xiàn)。

有了這套框架，機器學(xué)習(xí)模型能夠在極短時間內(nèi)生成并篩選候選設(shè)計——速度可達(dá)每秒2500個方案。相比之下，傳統(tǒng)的人工或半自動優(yōu)化方法往往陷入局部最優(yōu)解，只能摸索出少數(shù)簡單結(jié)構(gòu)。而AI的全局搜索不僅找到了常規(guī)的光子晶體、多層膜設(shè)計，還提出了許多人類直覺未曾想到的全新結(jié)構(gòu)，在光譜調(diào)控性能上全面超越現(xiàn)有材料。

比白漆還涼20℃的屋頂材料

再完美的計算機設(shè)計，也必須經(jīng)過現(xiàn)實的檢驗。研究團隊通過AI生成的1500多種候選方案中，挑選了幾款最具代表性的熱學(xué)超材料進行實驗制造，并將它們涂覆在模型屋頂上，與常見的白色和灰色商用涂料直接對比。

在正午烈日直射下，結(jié)果表明，雙波段選擇性發(fā)射型（TME-3）屋頂，比白漆表面溫度低 5.6℃，比灰漆低 21℃。超寬帶高發(fā)射型（TME-1）和 單波段選擇性發(fā)射型（TME-2）在戶外與城市熱島模擬中，均能顯著降低表面溫度，在晴朗天氣下，TME-1 中午降溫幅度達(dá) 5.9℃，而在熱反射嚴(yán)重的城市環(huán)境中，TME-2 甚至比白漆低 5.3℃。

模型房屋的實物照片及將模型暴露陽輻照下的熱成像圖（圖片來源：參考文獻[1]）

更重要的是，這種降溫不僅僅是體感上的舒適，還意味著可觀的能源節(jié)約。團隊的模擬表明，在像里約熱內(nèi)盧或曼谷這樣的炎熱城市，一棟普通的四層公寓樓如果將屋頂替換為TME-3涂層，每年可節(jié)省約 15800千瓦時的空調(diào)能耗——相當(dāng)于10臺家用空調(diào)一年的耗電量。同時，這還能減少數(shù)噸的二氧化碳排放。

這種材料的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)不止于建筑領(lǐng)域。憑借可調(diào)控光譜發(fā)射的特性，它既能通過大面積鋪設(shè)在屋頂、道路或外墻上緩解城市熱島效應(yīng)，也能在太空熱控中發(fā)揮作用——如TME-1在模擬中已證明可用于衛(wèi)星外表，幾乎完全反射太陽輻射并高效向外太空散熱。此外，它還可制成紡織品或車輛涂層，減少衣物悶熱感和車內(nèi)暴曬升溫，并在軍用與傳感等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)紅外隱身和光學(xué)信號的精確調(diào)控。

不同于需要復(fù)雜制備條件的實驗室材料，本研究的部分設(shè)計（如TME-3）采用室溫、溶液法即可制備，可直接刷涂在磚、金屬、玻璃甚至塑料表面，生產(chǎn)成本和工藝難度接近普通涂料，為大規(guī)模商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

總結(jié)

從空調(diào)到被動降溫，人類追求涼爽的方式在不斷進化。借助機器學(xué)習(xí)，科學(xué)家首次將三維結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料光譜調(diào)控結(jié)合起來，讓這種新材料擁有了“按需散熱”的能力。實驗證明，它們能讓屋頂在烈日下比白漆低20℃，顯著降低空調(diào)能耗并減少碳排放。更難得的是，這項技術(shù)不僅適用于建筑，也能走進衣物、車輛、航天器，甚至成為未來應(yīng)對全球高溫和能源緊張的新工具。

參考文獻：

[1] Xiao, Chengyu, et al. "Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning." Nature 643.8070 (2025): 80-88.

[2] Raman, Aaswath P., et al. "Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight." Nature 515.7528 (2014): 540-544.

作者丨Denovo科普團隊（張瑋杰 中國科學(xué)院大學(xué)博士；楊超 博士）

審核丨孫克衍博士 中國礦業(yè)大學(xué)副教授

來源: 科普中國創(chuàng)作培育計劃

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