2025-08-14 10:30:15
【导语】在炎炎夏日，空调成为我们对抗高温的得力助手，但背后却隐藏着巨大的能源消耗和碳排放问题。面对全球变暖和能源紧张的挑战，科学家们探索出了一种无需插电、无需制冷剂的被动辐射降温方法。借助机器学习，研究团队设计出了一系列新型材料，这些材料能让屋顶在烈日下比白漆还凉爽20摄氏度，不仅带来舒适体验，还能显著降低空调能耗和碳排放。这项技术不仅限于建筑领域，未来有望广泛应用于衣物、车辆、航天器等多个领域，成为应对全球高温和能源紧张的新工具。
每到盛夏，为了对抗高温，我们习惯性地打开空调，让室内降温。然而，凉爽的背后，是源源不断的电力消耗和越来越沉重的碳(tàn)排(pái)放(fàng)负(fù)担。在全球变暖和能源紧张的双重压力下，有没有一种方法，不用插电、不用制冷剂，也能让房子自己散热降温？
科学家们的答案，指向了一种物理机制，被动辐射降温。它依赖于材料与大气之间的能量交换，将热量直接辐射到寒冷的外太空。然而，要让这种降温高(gāo)效(xiào)且(qiě)适(shì)用(yòng)于(yú)各(gè)种(zhǒng)环(huán)境(jìng)，需(xū)要(yào)极(jí)为(wèi)精(jīng)确(què)地(de)调(diào)控(kòng)材(cái)料(liào)在(zài)不(bù)同(tóng)波(bō)段(duàn)的光和热辐射性能。这不仅是一道科学难题，更是一道设计难题。
在《自然》上发表的相关研究（图片来源：参考文献[1]）
如今，人工智能正在悄然改写这道难题的解法。借助机器学习，科研团(tuán)队(duì)不(bù)再(zài)局(jú)限(xiàn)于试错式的材料开发，而是可以在虚拟空间中同时探索成千上万种三维结构与材料组合，并精准预测它们的降温效果。最近，来自德州大学奥斯汀分校联合上海交通大学、新加坡国立大学和瑞典于默奥大学的研究团队，就用AI设计出了一批性能远超传统涂料的新型材料，它们能让屋顶在烈日下比白漆还凉上20摄氏度。
AI如何“雕刻”能降温的材料
要让材料在不同波段的光和热之间有选择性地反射或发射，这份选择性太过复杂了，涉及到材料的电子带隙、折射率、化学性质和热稳定性，还要考虑它们的三维微结构如何与光相互作用。传统方法往往依赖科研人员的经验和反复试验，既耗时又容易错过最佳方案(àn)。
而(ér)最(zuì)近(jìn)的(de)研(yán)究(jiū)的(de)突(tū)破(pò)在(zài)于(yú)引(yǐn)入(rù)了(le)机(jī)器(qì)学(xué)习(xí)驱(qū)动(dòng)的(de)逆(nì)向(xiàng)设(shè)计(jì)平(píng)台(tái)。它(tā)的(de)工(gōng)作(zuò)逻(luó)辑(ji)与(yǔ)人(rén)类(lèi)工(gōng)程(chéng)师(shī)不(bù)同(tóng)，不(bù)是(shì)从(cóng)已(yǐ)有(yǒu)材(cái)料(liào)中(zhōng)挑(tiāo)选(xuǎn)再(zài)改(gǎi)进(jìn)，而(ér)是(shì)直(zhí)接(jiē)从(cóng)目(mù)标(biāo)性(xìng)能(néng)反推结构和材料组合。研究团队先建立了一个超大的“设计空间”，收录了32种源自自然界的三维结构原型，如球体、棱柱、圆柱、螺旋等，并允许它们以有序、随机或梯度方式排列。每个结构都能搭配30种候选材料，从陶瓷到聚合物，再到金属。
基于机器学习的通用逆向设计模式（图片来源：参考文献[1]）
为了描述这些复杂的三维结构，团队开发了一种三平面建模法，将每个结构拆分为上、中、下三个平面，用11个参数精确编码形状、尺寸、连接方式等信息，再与材料的光学参数如不同波段的折射率n和消光系数k结合，形成“设计指纹”。这套编码方式让AI可以在计算机中自由“拼搭”出成千上万种结构—材料组合，并预测它们在0.25–2.5 μm的太阳光波段和3–25 μm的红外波段的反射与辐射表现。
有了这套框架，机器学习模型能够在极短时间内生成并筛选候选设计——速度可达每秒2500个方案。相比之下，传统的人工或半自动优化方法往往陷入局部最优解，只能摸索出少数简单结构。而AI的全局搜索不仅找到了常规的光子晶体、多层膜设计，还提出了许多人类直觉未曾想到的全新结构，在光谱调控性能上全面超越现有材料。
比白漆还凉(liáng)20℃的屋顶材料
再完美的计算机设计，也必须经过现实的检验。研究团队通过AI生成的1500多种候选方案中，挑选了几款最具代表性的热学超材料进行实验制造，并将它们涂覆在模型屋顶上，与常见的白色和灰色商用涂料直接对比。
在正午烈日直射下，结果表明，双波段选择性发射型（TME-3）屋顶，比白漆表面温度低 5.6℃，比灰漆低 21℃。超宽带高发射型（TME-1）和 单波段选择性发射型（TME-2）在户外与城市热岛模拟中，均能显著降低表面温度，在晴朗天气下，TME-1 中午降温幅度达 5.9℃，而在热反射严重的城市环境中，TME-2 甚至比白漆低 5.3℃。
模型房屋的实物照片及将模型暴露阳辐照下的热成像图（图片来源：参考文献[1]）
更重要的是，这种降温不仅仅是体感上的舒适，还意味着可观的能源节约。团队的模拟表明，在像里约热内卢或曼谷这样的炎热城市，一栋普通的四层公寓楼如果将屋顶替换为TME-3涂层，每年可节省约 15800千瓦时的空调能耗——相当于10台家用空调一年的耗电量。同时，这还能减少数吨的二氧化碳排放(fàng)。
这(zhè)种(zhǒng)材(cái)料(liào)的(de)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)远(yuǎn)不(bù)止(zhǐ)于(yú)建(jiàn)筑(zhù)领(lǐng)域。凭(píng)借(jiè)可(kě)调(diào)控(kòng)光(guāng)谱(pǔ)发(fā)射(shè)的(de)特(tè)性(xìng)，它(tā)既(jì)能(néng)通(tōng)过(guò)大(dà)面(miàn)积(jī)铺(pù)设(shè)在(zài)屋顶、道路或外墙上缓解城市热岛效应，也能在太空热控中发挥作用——如TME-1在模拟中已证明可用于卫星外表，几乎完全反射太阳辐射并高效向外太空散热。此外，它还可制成纺织品或车辆涂层，减少衣物闷热感和车内暴晒升温，并在军用与传感等领域实现红外隐身和光学信号的精确调控。
不同于需要复杂制备条件(jiàn)的(de)实(shí)验(yàn)室(shì)材(cái)料(liào)，本(běn)研(yán)究(jiū)的(de)部(bù)分(fēn)设(shè)计(jì)（如(rú)TME-3）采用(yòng)室(shì)温(wēn)、溶(róng)液(yè)法(fǎ)即(jí)可(kě)制(zhì)备(bèi)，可(kě)直(zhí)接刷涂在砖、金属、玻璃甚至塑料表面，生产成本和工艺难度接近普通涂料，为大规模商业化奠定了基础。
总结
从空调到被动降温，人类追求凉爽的方式在不断进化(huà)。借(jiè)助(zhù)机(jī)器(qì)学(xué)习(xí)，科(kē)学(xué)家(jiā)首(shǒu)次(cì)将(jiāng)三(sān)维(wéi)结(jié)构(gòu)设(shè)计(jì)与(yǔ)材(cái)料(liào)光(guāng)谱(pǔ)调(diào)控(kòng)结(jié)合(hé)起(qǐ)来(lái)，让(ràng)这(zhè)种(zhǒng)新(xīn)材(cái)料(liào)拥(yōng)有(yǒu)了(le)“按(àn)需(xū)散(sàn)热(rè)”的能力。实验证明，它们能让屋顶在烈日下比白漆低20℃，显著降低空调能耗并减少碳排放。更难得的是，这项技术不仅适用于建筑，也能走进衣物、车辆、航天器，甚至成为未来应对全球高温和能源紧张的新工具。
参考文献：
[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科普团队（张玮杰 中国科学院大学博士；杨超 博士）
审核丨孙克衍博士 中国矿业大学副教授
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