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8月4日，能源与动力工程学院胡润副教授团队在可见光-红外伪装超材料逆向设计领域取得重要进展，相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications, 2023, 14: 4694），题目为“可见-红外兼容伪装热超材料的超高效率材料信息学逆向设计” （Ultrahigh-efficient material informatics inverse design of thermal metamaterials for visible-infrared-compatible camouflage）。华中科技大学为第一通讯单位，能源与动力工程毕业硕士生席望和韩国庆熙大学研究生Yun-Jo Lee 为共同第一作者。硕士生余士律、博士生陈子禾以及日本东京大学Junichiro Shiomi教授为共同作者，胡润副教授和庆熙大学Sun-Kyung Kim教授为通讯作者。

在自然界中，许多生物，包括变色龙、章鱼和某些昆虫，都具有改变皮肤颜色的非凡能力，以适应周围环境、躲避捕食者或接近猎物。在军事上，人类也试求隐藏目标特征以实现隐身和伪装，特别是在战斗疲劳和隐形飞机的背景下。然而，随着探测和传感技术的发展，需要针对可见光、红外、激光和微波等各种光谱范围量身定制的反探测伪装技术。然而，大多数伪装技术都局限于特定的光谱范围，在面对多光谱探测和传感技术时变得无效。因此，多光谱伪装技术，特别是可见光-红外(VIS-IR)伪装，有着更高的需求。超材料可作为一种实现可见光-红外伪装的途径，其设计仍然颇具挑战，可见光波段的发射特性和红外波段的发射特性不可避免地相互影响。此外，目前的超材料设计主要依赖于传统的经验方法或人工优化技术，对不同背景情景(如土壤、沙漠和绿色植被)中灵活的颜色和红外信号适应性的需求，迄今尚未得到充分解决或证明。

为了解决上述问题，胡润副教授团队提出了一种基于材料信息学（MI）的逆向设计框架，通过仅评估约1%的候选材料，有效地设计多层锗(Ge)和硫化锌(ZnS)超材料。通过实验验证，所设计的超材料在不同的观察角度和温度下均表现出优异的颜色匹配性能和红外伪装性能。设计流程包括将多层超材料编码为二进制数字、使用TMM进行物理模拟、可见光和红外伪装评估、厚度评估的发射率灵敏度、性能表征（FOM）和贝叶斯优化过程（BO）。该超材料结构包括生长在石英衬底上的非周期Ge和ZnS多层层以及最上层的ZnS层。顶部ZnS层用于可见光伪装，而底部的Ge/ZnS多层用于红外伪装。为评估可见光伪装性能，将获得颜色与目标颜色在CIE-LCH色彩空间中的色差（ΔECMC(l:c)）作为评估指标。为评估红外伪装性能，同时考虑了发射率光盘和目标温度，定义了一个无量纲红外伪装评价因子——热信号比（RTS），用于表示设计的超材料在相同环境（但不相同温度）下与黑体的热辐射功率之比。除了可见光和红外伪装性能外，还首次评估了实验制造的厚度灵敏度（SET），并将其反馈到优化中。将ΔECMC(l:c)、RTS、SET的乘积作为最终的FOM。通过BO使FOM最小化，可以有效地优化超材料结构，在迭代步骤<总候选项的1%内达到最优值。作者对不同颜色目标进行了60轮优化，得到了其在CIE1931色彩空间中的分布，表明了超材料结构可以达到的可行的颜色范围。随机选择了8种超材料结构进行制备和实验验证，展现了出色的角度和温度无关的可见-红外兼容伪装性能。

胡润副教授团队多年来致力于传热传质、热学超构材料和功能器件、光电子器件热管理等研究，并在Nature Communications、Science Advances、Physical Review X、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Today、National Science Review、Nano Energy等国际著名期刊发表多篇论文。

该工作得到了国家自然科学基金(52211540005, 52076087, 52161160332)等基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40350-6

（来源：华中科技大学新闻网）