AI cho các siêu vật liệu nhiệt vượt qua giới hạn thiết kế truyền thống
Shanghai Jiao Tong University Team Leads Breakthrough Published in Nature
Metam vật liệu là một lớp vật liệu được thiết kế nhân tạo với các tính chất phi thường không tìm thấy trong tự nhiên. Những vật liệu này thể hiện các đặc điểm độc đáo và có các ứng dụng trên phạm vi rộng trong các lĩnh vực như hình ảnh, truyền thông, năng lượng và hàng không vũ trụ. Trong số đó, các siêu vật liệu bức xạ nhiệt có thể đóng gói và phát ra nhiệt vượt quá không gian. Mặc quần áo của người Viking, được làm từ các vật liệu như vậy giống như mặc một bộ quần áo ma thuật làm mát, cho phép điều chỉnh nhiệt độ tự động cho các vật thể. Những vật liệu này hứa hẹn đáng kể cho các ứng dụng trong việc làm mát bức xạ tiêu thụ năng lượng không có năng lượng, quản lý nhiệt của các thiết bị điện tử và các ứng dụng thoải mái nhiệt cá nhân.
Làm thế nào chúng ta có thể thiết kế các siêu vật liệu bức xạ nhiệt đáp ứng chính xác các yêu cầu về hiệu suất cả nhanh chóng và hiệu quả?Đây là một thách thức từ lâu đối với các nhà khoa bóng đá nhà cái. Tuy nhiên, các phương pháp thiết kế truyền thống là tốn thời gian và tốn nhiều công sức: cấu trúc vi mô, chìa khóa để siêu vật liệu có khả năng vượt qua các hạn chế vật liệu tự nhiên và đạt được các tính chất phi thường, không liên quan đến hàng triệu kết hợp tham số có thể. Nó giống như mò mẫm qua một mê cung trong bóng tối, thường dựa vào kinh nghiệm sâu rộng và thử và sai.
Nhưng mọi thứ đã thay đổi với việc giới thiệu trí tuệ nhân tạo (AI) vào thiết kế siêu vật liệu bức xạ nhiệt.Vào tối ngày 2 tháng 7 (Giờ Bắc Kinh), một nhóm nghiên cứu do Đại bóng đá nhà cái Thượng Hải Jiao Tong lãnh đạo đã công bố một nghiên cứu đột phá trongNature, Đánh dấu một bước đột phá ban đầu lớn trong lĩnh vực của các chất giải phóng nhiệt điều khiển AI-điều khiển. Thay vì điều chỉnh các công thức nấu ăn hiện tại của người Viking, nhóm nghiên cứu đã phát triển một mô hình thiết kế nghịch đảo được hỗ trợ AI, vượt qua trần hiệu suất của các thiết kế hiện tại. Mô hình này có thể nhanh chóng cấu trúc ứng cử viên chất lượng cao tạo ra khối lượng lớn cho các siêu vật liệu bức xạ nhiệt và xác định các bản hứa hẹn kỹ thuật nhất.
Hình 1. Ảnh chụp màn hình trang tiêu đề của bài viết được xuất bản trong Nature
Phát triển mô hình AI thiết kế nghịch đảo cho thiết kế siêu vật liệu nhiệt thông lượng cao
Phát xạ nhiệt, một đặc điểm cơ bản của tự nhiên, hoạt động giống như một chuyển phát nhanh không mệt mỏi của nhiệt, nó liên tục mang năng lượng nhiệt khỏi tất cả các vật thể. Ví dụ, khi chúng ta đắm mình dưới ánh sáng mặt trời và cảm nhận sự ấm áp của nó, làn da của chúng ta về cơ bản là nhận được bức xạ nhiệt mặt trời. Hơn hàng tỷ năm chọn lọc tự nhiên, nhiều sinh vật đã phát triển các cấu trúc tôpô ba chiều (3D) tinh vi với các đặc tính quang bóng đá nhà cái và nhiệt phi thường. Các cấu trúc này cho phép chúng điều chỉnh nhiệt độ cơ thể của chúng thông qua quản lý bức xạ nhiệt.
Lấy cảm hứng từ các cấu trúc tôpô 3D được tìm thấy trong tự nhiên, nhóm nghiên cứu đã trích xuất nhiều đơn vị cấu trúc 3D và sắp xếp không gian. Họ đã phát triển một phương pháp mô hình ba mặt phẳng sáng tạo, cho phép các mô tả hình bóng đá nhà cái chính xác về các cấu trúc phức tạp này và đặt nền tảng cho một bộ dữ liệu quy mô lớn của các kiến trúc 3D phức tạp. Bằng cách tích hợp thư viện cấu trúc này với các hệ thống vật liệu đa dạng, nhóm đã đào tạo một mô hình AI có khả năng tạo ra nhiều giải pháp thiết kế nhanh chóng và chính xác cho các siêu vật liệu bức xạ nhiệt dựa trên các thuộc tính phổ mong muốn. Cách tiếp cận này đánh dấu một bước nhảy vọt toàn diện về mặt thiết kế, tốc độ và hiệu suất. Các siêu vật liệu bức xạ nhiệt được thiết kế hứa hẹn rất nhiều cho các ứng dụng, bao gồm làm mát bức xạ tiêu thụ năng lượng không, điều hòa nhiệt độ xây dựng tiết kiệm năng lượng, quản lý nhiệt không gian. Sự đổi mới này tăng tốc đáng kể cả tiến bộ khoa bóng đá nhà cái và triển khai công nghiệp trong các lĩnh vực liên quan.
Nghiên cứu được dẫn dắt bởi nhóm Giáo sư Han Zhou, từ Phòng thí nghiệm quan trọng của Phòng thí nghiệm Ma trận kim loại, Trường Khoa bóng đá nhà cái và Kỹ thuật Vật liệu; Viện nghiên cứu nâng cao Zhangjiang, Đại bóng đá nhà cái Thượng Hải Jiao Tong. Đó là sự hợp tác chung với các nhóm của bóng đá nhà cái giả Di Zhang (Giám đốc Phòng thí nghiệm Metal Matrix Matrix Matrix), Giáo sư Cheng-Wei Qiu từ Đại bóng đá nhà cái Quốc gia Singapore, và Giáo sư Yuebing Zheng từ Đại bóng đá nhà cái Texas ở Austin. Những phát hiện đột phá của nhóm đã được công bố trongNatureTheo tiêu đề: Ultrabroadband và các chất giải sản nhiệt nhiệt chọn lọc bằng băng tần bằng máy bóng đá nhà cái. Giáo sư Han Zhou, bóng đá nhà cái viện Di Zhang, Giáo sư Cheng-Wei Qiu, và Giáo sư Yuebing Zheng là những tác giả đồng hành của bài báo. Chengyu Xiao, một sinh viên tiến sĩ tại Trường Khoa bóng đá nhà cái và Kỹ thuật Vật liệu, Đại bóng đá nhà cái Thượng Hải Jiao Tong, là tác giả đầu tiên. Đại bóng đá nhà cái Thượng Hải Jiao Tong là tổ chức liên kết đầu tiên. Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa bóng đá nhà cái Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, Quỹ Phát triển Công nghệ và Khoa bóng đá nhà cái Thượng Hải và Sáng kiến SJTU 2030. Dự án đã được cấp bản quyền phần mềm và các bằng sáng chế sáng chế liên quan đã được nộp.
Hình 2. Mô hình và các đặc điểm chính của thiết kế nghịch đảo điều khiển AI cho siêu vật liệu nhiệt
Hình 3. Phương pháp mô tả tham số và quy trình thiết kế nghịch đảo
Xác thực thử nghiệm với nhiều loại vật liệu đáp ứng nhu cầu ứng dụng đa dạng
Để xác nhận hiệu quả thực tế của mô hình AI, nhóm đã thiết kế và xác minh thực nghiệm bảy loại siêu vật liệu bức xạ nhiệt phù hợp cho các ứng dụng cụ thể. Chúng bao gồm các siêu vật liệu bức xạ nhiệt chọn lọc băng thông rộng, băng thông và băng tần kép. Các triển khai thực tế đã kéo dài các định dạng khác nhau như phim linh hoạt, lớp phủ và bản vá.
Trong các thử nghiệm trường ngoài trời khác nhau, các siêu vật liệu bức xạ nhiệt được thiết kế bởi mô hình AI luôn thể hiện hiệu suất làm mát thụ động tuyệt vời. Các loại vật liệu khác nhau đã được chứng minh phù hợp cho các môi trường ứng dụng khác nhau, hoạt động hiệu quả như áo khoác làm mát tự động, phù hợp với các điều kiện cụ thể. Ví dụ, dưới giữa ngày rõ ràng, nhiệt độ bề mặt bên dưới siêu vật liệu băng thông rộng thấp hơn 5,9 ° C so với nhiệt độ môi trường. Trong điều kiện nhiều mây, siêu vật liệu chọn lọc băng tần cho thấy làm mát rõ rệt hơn, với nhiệt độ bề mặt 4,6 ° C dưới môi trường xung quanh. Trong môi trường xây dựng đô thị mô phỏng, nhiệt độ bề mặt theo siêu vật liệu chọn lọc băng tần là 2,5 ° C và 5,3 ° C thấp hơn so với các loại sơn siêu vật liệu băng thông rộng và sơn trắng thương mại. Mặc chiếc áo làm mát tự động này, nhiệt độ bề mặt giảm đáng kể, kích hoạt hiệu quả chế độ làm mát tự nhiên.
Khi được phủ trên sân thượng mô hình, siêu vật liệu có chọn lọc băng tần kép làm giảm nhiệt độ bề mặt xuống 5,6 ° C so với sơn trắng thương mại và 21 ° C so với sơn màu xám, ngay lập tức làm mát mái thiêu đốt. Những kết quả này đã thể hiện một cách hấp dẫn khả năng của mô hình AI đối với thiết kế vật liệu dựa trên mong muốn của Wish, nêu bật các ứng dụng tiềm năng của nó trong việc xây dựng hiệu quả năng lượng và giảm thiểu đảo nhiệt đô thị. Bước đột phá này cung cấp một giải pháp sáng tạo để tạo ra các thành phố làm mát năng lượng không trong tương lai.
Hình 4. Xác thực thử nghiệm và kết quả kiểm tra nhiệt ngoài trời cho nhu cầu làm mát bức xạ điển hình
Hình 5. Đánh giá về ứng dụng và tiết kiệm năng lượng như là phong bì xây dựng
Tạo điều kiện chế tạo vật liệu có thể mở rộng để tăng tốc các ứng dụng trong thế giới thực
Mô hình AI này không chỉ là các tài liệu mới lạ của các vật liệu mới mà còn chọn những người phù hợp hơn để sử dụng quy mô lớn và chi phí thấp hơn. Lấy ví dụ về siêu vật liệu chọn lọc kép điển hình như một ví dụ: nó có thể được chế tạo đơn giản ở nhiệt độ phòng thông qua quy trình giải pháp đơn giản. Được áp dụng như một lớp phủ, nó có thể được sử dụng trực tiếp trên các bề mặt phổ biến như tường gạch, kim loại, nhựa và thủy tinh giống như đặt một loại kem làm mát bằng kem chống nắng, làm mát vật thể. Mô phỏng tiêu thụ năng lượng cho thấy rằng khi áp dụng để xây dựng mái nhà ở các vùng trung bình đến thấp, vật liệu có thể đạt được tiết kiệm năng lượng lý thuyết là 75 MJ/mét vuông tương đương với khoảng 20 kWh điện. Hơn nữa, vật liệu này có hiệu quả về chi phí và linh hoạt trong ứng dụng từ việc xây dựng ngoại thất đến quần áo có thể đeo, các thiết bị ngoài trời đến các thiết bị điện tử. Nhà vô địch làm mát giá cả phải chăng này đã sẵn sàng để làm cho làm mát công nghệ cao có thể tiếp cận được với các hộ gia đình ở khắp mọi nơi.
Hình 6. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Zhou (Giáo sư Han Zhou, giữa)
Hình 7. Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Zhou (Giáo sư Han Zhou, giữa)
Liên kết nguồn gốc:https: //www.nature.com/articles/s41586-025-09102-y
Viết bởi: Zhou Han, Zhang Yifan
Biên tập viên về nhiệm vụ: Yan Cheng