盛夏的太阳似乎能把一切都给晒化。如果有一种涂料，能给楼宇带来强大的自主散热性能，用它粉刷的外墙，哪怕在烈日下依然可以保持凉爽，该有多好？ 如今，这样的理想材料已经被设计并且制备出来。更重要是，其设计方案是由材料科学家训练的AI自动生成的。这种新的科研范式，不仅为未来材料的研发带来彻底变革，也再次证明AI在赋能科学研究方面的颠覆性能力。 北京时间7月2日晚，由上海交通大学团队领衔的一项重大原创成果，登上国际顶尖学术期刊《自然》。经过5年多探索，该团队成功训练出了一个AI模型，能根据人们的需求自动“设计”出具备极限热辐射能力的超材料，可以为建筑节能，让服装降温，还能帮助航天器更高效散热。 昨天，记者来到上海交通大学张江高等研究院，在金属基复合材料全国重点实验室、材料科学与工程学院周涵教授课题组的实验室见到了这个AI模型。 它用起来有点类似和DeepSeek聊天：科研人员只要将所需的材料光谱特性输入电脑，按下运行键，屏幕上就开始不断“吐出”一连串字母和数字，同时交替闪现和材料性能相关的曲线图……经过10秒左右，AI就“算”出了所对应的材料配方。 有了配方，科学家就可将它从“纸”变成实物。周涵团队在实验室里制备的AI+材料中，包括一款看起来、闻起来、用起来都和普通涂料很接近的白色液体。它具备优异的热辐射性能，或者说自降温效果。将它刷上外墙，一夜晾干，就会产生零能耗的“被动空调”效果。实验结果显示，在上海去年7月的一天正午阳光下，这种涂料涂过的建筑模型表面温度仅为37℃，远低于普通灰色涂料的61℃，比普通白色涂料也低了4℃以上。据透露，其成本并不高。 这种降温涂料的应用，仿佛给建筑穿上了“自动散热服”。如果将它广泛应用于屋顶，就可产生显著的节能减排效果，从而大幅缓解城市的热岛效应。据课题组测算，在低纬度地区，这种涂料每年可让每平方米屋顶减排二氧化碳10吨，减少用电20度。 除了给楼宇降温，AI+材料还可用于服装、通信、医疗、航天等场景。比如，如果能将它加工成薄膜，覆盖在服装外层，夏天穿着时会非常凉爽。如果用于航天，那么宇宙飞船在太空中的散热难题有望迎刃而解。 通过“AI+”方法设计、制备的这种材料被称作“热辐射超材料”，是一种能聪明调节热量散发、反射和吸收的特殊材料。而所谓“超材料”是指由人工设计制造、具备超常物理性质的材料。 过去，要设计出超材料，科学家们的手段极其有限。由于决定超材料性能的主要是其特殊的微结构和材料组分，但结构和材料组分的组合，至少存在百万种可能。要从中找到满足需求的材料，科学家只能依赖经验反复尝试，某种程度上就像买彩票，效率极低。但随着AI工具的引入，超材料设计从“猜猜猜”变为高效的“算算算”。 周涵告诉记者，团队构建了一个热辐射超材料的AI设计模型，输入所需的光谱特性后，AI可大批量自动生成候选方案并“优中选优”，这就让“刮彩票”变成了按图索骥。比如，想要提升宇宙飞船的散热性能，只需给AI“提要求”，让它设计在全波段光谱下具备优异热辐射性能的超材料。如果要让某些材料在散热的同时保持“红外隐身”，那么就可针对传感器参数，让AI设计出具有特殊散热光谱波段的材料。 周涵提到，训练热辐射超材料AI的“教材”和灵感，有些来自大自然的启发。实际上，大自然中也有部分生物拥有和超材料相近的肌体结构。比如，一种常常出现在火山口附近的昆虫，因为其外壳拥有大片极其微小的三棱柱凸起可高效散热，从而抵御致命高温。 亿万年物竞天择，让大自然进化出了许多具有超常特性的微结构。周涵团队由此梳理和提炼出大量微观三维结构和空间排列方式，结合各种常见的有机和无机材料数据库，通过数学建模，形成了庞大数据库。经过深度学习，AI最终形成了一种洞察力，可以根据热辐射特性，逆向推导出超材料的微结构和成分。据测算，这名“AI材料学家”仅用了3个月时间训练，就得到了包含5万种配方的模型体系；而如果按传统方法“试错迭代”，其耗时甚至将远超宇宙诞生至今的总时长。 《自然》审稿人对这项成果给予高度评价，将其称为“杰出研究”，“标志着机器学习驱动的超材料设计领域取得了重大进展”，扎实而全面的实验结果“令人信服且具有重要影响”。 据介绍，该研究由周涵课题组、金属基复合材料全国重点实验室主任张荻院士团队，联合新加坡国立大学仇成伟院士团队、美国德克萨斯大学奥斯汀分校郑跃兵教授团队完成。该项工作得到国家自然科学基金委、上海市科学技术发展资金、上海交通大学2030计划的资助，已获得软件著作权并已申请相关发明专利。 周涵透露，研究一路走来非常艰辛。2018年，她就产生了利用深度学习进行材料研发的想法。虽然当时AI的热度远不及现在，课题申请未获认可，但她并没有放弃。2019年，周涵鼓励学生肖诚禹（目前为上海交大博士生，也是论文第一作者）尝试该研究。这位材料学背景的学生对计算机和AI有很强兴趣，并一直自学编程。就这样，以这对师徒为核心的团队开始了5年奋斗。 值得一提的是，2022年，他们原本已基本完成了论文初稿，然而调研发现，国际上该领域竞争十分激烈。为了进一步凸显优势，他们几乎推翻了原先的思路，将数据规模扩展5倍，重新设计了文章架构和实验，又花了2年多时间才正式完稿，前前后后加起来论文积累下了100多个修改版本。 事实上，这篇顶刊论文也是肖诚禹科研生涯发表的第一篇论文。他告诉记者，几年前，当课题面临重大调整之时，曾一度想要放弃。在导师的鼓励下，他意识到这是一项极具前沿挑战性的工作，咬牙坚持到最后。 目前，这个AI模型已具备辅助超材料设计的现实能力，未来有望进一步优化迭代。由它设计的材料，可实现低成本制备，有望批量生产。这意味着，科学家与AI携手，不仅能带来顶尖学术成果，也正在让科技的“超能力”走进生活。
