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研究背景
现如今，为满足和采光和审美需求，以玻璃为外墙的建筑逐渐增多。然而，玻璃窗是建筑中最不节能的部分，由于它不加区别地将所有入射的太阳能都传输进入建筑内，从而严重加剧了空间冷却能耗，损耗了近50%的能量。因此，迫切需要开发低碳或零碳技术来降低建筑的能耗。透明辐射制冷玻璃被认为是一个有效的解决方案，它不同于非透明的辐射制冷材料在全太阳波段具有高反射率，而是具有高的可见光透过率以实现光学透明，以及高紫外和近红外反射率、高红外发射率以实现降温效果。现有的大多透明辐射制冷玻璃在可见透明度上表现不足且具有明显的色差，并且在结构上较为复杂，对顶层高发聚合物具有依赖性，因此在制造经济性和性能稳定性上也略显不足。近日，华中科技大学胡润教授联合韩国庆熙大学Sun-Kyung Kim教授团队在《ACS Photonics》上发表了研究论文“Ultrahigh Visible-Transparency, Submicrometer, and Polymer-Free Radiative Cooling
Meta-Glass Coating for Building Energy Saving”, 利用深度强化学习设计了一种结构简单且具有超高透明度的辐射制冷Meta-glass涂层，该Meta-glass的平均的可见光透射率高达86%（理论为92%），并且实现了优异的降温效果，在建筑上展现出了良好的节能潜力。
研究成果
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图1 透明辐射制冷Meta-glass和深度强化学习优化
透明辐射制冷Meta-glass的概念、理想光谱和深度学习设计优化如图1所示，研究团队设计的Meta-glass由电介质多层和高发玻璃基底组成。上方的电介质多层是由两种材料堆叠而成的五层结构，其材料种类和结构参数同时由深度强化学习模型进行高效地优化，由六种候选材料和宽的层厚度范围，优化空间达到6.15×108。![]()
图2. 深度强化学习优化结果
经深度强化学习设计优化，优化效率和结果如图2所示。最优的电介质多层由ZnS和MgF2组成，其结构变现为非直观和非周期性，总厚度仅为550nm。此外，深度强化学习在巨大的优化空间下表现出了超高的效率，仅需计算5.32%的结构即可得到最优结构。在优化过程中，结构的平均可见透射率和近红外反射率快递趋向最优值。
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图3. Meta-glass的光学和红外性能
研究团队对设计的Meta-glass进行了制备和表征，如图3所示。所制备的Meta-glass具有86%（理论92%）的超高可见透明度，在外观上几乎无法区分Meta-glass与普通玻璃。其近红外反射率为48%，大气窗口发射率为89%。此外，研究团队还制备了具有与Meta-glass相近透明度的有色玻璃作为对照组，以进行性能对比。![]()
图4. Meta-glass降温效果户外测试
研究团队对制备的三种样品进行了户外实验，并采用炭黑硅和硅作为不同的吸热材料以模拟不同的室内装饰。结果表明，在环境温度约为10℃，最高太阳辐射照度为750W/m2的条件下，所设计了Meta-glass对比普通玻璃和有色玻璃分别实现了8.9和4.3摄氏度的温降。在环境温度约为20℃，最高太阳辐射照度为850W/m2的条件下，温降进一步提升到12.7和8.3摄氏度。![]()
图5. 定制化可见透明度的Meta-glass
此外，研究团队利用深度强化学习模型实现了超材料的可见透明度的定制化，如图5所示，以满足不同场景的需求。与现有的透明辐射制冷材料进行对比，所设计的Meta-glass展现出了突出的性能。![]()
图6. Meta-glass的建筑节能潜力
最后，研究团队对Meta-glass的建筑节能潜力进行了评估，如图6所示，结果表明，装有所设计的Meta-glass的建筑在大多数气候区域内均展现出了可观的节能效果。
总结
本文报道了一种通过深度强化学习框架优化的超高可见光透明度，亚微米和无聚合物的电介质多层涂层间Meta-glass。在目标光谱的指导下，深度强化学习框架可以自动高效地同时进行材料选择和结构优化。实验证明了所设计的Meta-glass展现出了超高的可见透明度和出色的红外性能。在室外降温效果测量中，与未镀膜的普通玻璃和具有相近可见透明度的有色玻璃相比，在环境温度约为20℃时，制备的Meta-glass分别使地板温度降低了12.7℃和8.3℃。在环境温度约10℃时，温度下降也可分别达到8.9℃和4.3℃。超高的可见透明度，再加上出色的被动冷却性能，使得Meta-glass有望成为窗户材料的直接替代品，并且在大多数气候条件下都能实现节能。此外，借助深度强化学习，在牺牲一定透明度以获得更大冷却效果的情况下，实现了不同可见透明度级别的定制结果，以满足不同应用场景的需求。最后，深度强化学习框架还可以应用于透明辐射制冷玻璃以外的其他领域的超材料设计。
论文信息
Shilv Yu#, Jae-Seon Yu#, Zihe Chen, Qinghe, Li,
Zhaochen Wang, Xiaobing Luo, Sun-Kyung Kim, Run Hu. Ultrahigh
Visible-Transparency, Submicrometer, and Polymer-Free Radiative Cooling
Meta-Glass Coating for Building Energy Saving. ACS Photonics, 4c00981, 2024.
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.4c00981
作者信息
通讯作者：胡润，华中科技大学能源与动力工程学院教授，国家优青，研究方向包括传热传质、热学超构材料和功能器件、光电子器件热管理等。以第一或通讯作者发表Nature Communications、Science Advances、Physical
Review X、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Today、National Science Review、Nano Energy、ACS Photonics等SCI论文90余篇。
通讯作者：Sun-Kyung Kim, 韩国庆熙大学应用物理学院教授，纳米光子实验室主任，研究方向为纳米光子学，以第一或通讯作者发表PNAS、Nature Nanotechnology.、JACS等高水平SCI论文100余篇。
第一作者：余士律，华中科技大学能源与动力工程学院硕士研究生，研究方向为基于机器学习的微纳结构光谱调控。
共同第一作者：Jae-Seon Yu，韩国庆熙大学应用物理学院硕士研究生，研究方向为纳米光子学，光学超材料。
