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超材料最新十大研究進展

2018-06-13 14:07:03 作者：本網整理來源：材料+ 分享至：

1什么是超材料

“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工設計的結構并呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料。“超材料”（Metamaterial）是21世紀以來出現的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質，而且這些性質主要來自人工的特殊結構。

超材料的設計思想是新穎的，這一思想的基礎是通過在多種物理結構上的設計來突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設計思想昭示人們可以在不違背基本的物理學規律的前提下，人工獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”，把功能材料的設計和開發帶入一個嶄新的天地。

典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料” 、“金屬水”。

2超材料的種類

1、自我修復材料--仿生塑料

伊利諾伊大學的Scott White研發出了一種具備自我修復能力的仿生塑料。這種聚合物內嵌有一種由液體構成的“血管系統”，當出現破損時，液體就可像血液一樣滲出并結塊。相比其他那些只能修復微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復最大4毫米寬的裂縫。

2、熱電材料

一家名為Alphabet Energy的公司開發出了一種熱點發電機，它可被直接插入普通發電機的排氣管，從而把廢熱轉換成可用的電力。這種發電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據稱可達到5-10%的能效?？茖W家們已經在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。

熱電材料目前已經開始了小規模的應用--比如在太空飛船上--但方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。

3、鈣鈦礦

除晶體硅外，鈣鈦礦也可可用來制作太陽能電池的替代材料。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉化率。到了2014年，這一數字已經提升到了19.3%。相比傳統晶體硅電池超過20%的能效?？茖W家認為，這種材料的性能依然有提升的可能。

鈣鈦礦是由特定晶體結構所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數量的元素，用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無需在清潔的房間當中精心組裝。

4、氣凝膠

氣凝膠可由任意數量的物質所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結構也賦予其超高的強韌性。

NASA的科學家已經在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。

5、Stanene--導電率100%的材料

和石墨烯一樣，Stanene也是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實現的特性：100%的導電率。

Stanene在2013年由斯坦福大學張首晟教授首次進行了理論化。預測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領域之一，根據他們的模型，Stanene是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導體，而內部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導電。

6、光操縱材料

光操縱超材料的納米結構能夠以特定的方式對光線進行散射，它或許真的可以讓物體隱形。根據制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

3超材料最新研究進展

國外許多國家都在發展超材料，相比于不少國家相對分散的發展模式，中國在超材料領域的發展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術介質基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，我國企業取得了多項原創性成果，并在世界超材料產業化競爭中占到先機。

有調研公司預測，超材料全球市場規模在2010-2020年間將以高達41%的年復合增長率發展?？梢灶A計，隨著全球“工業4.0”進程持續深化、“智能+”應用領域不斷擴大，一個可帶動諸如高速列車、新型地面行進裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領域的千億規模的超材料產業集群正在崛起。

利用駕馭電磁波的超材料技術來建造未來世界，正在成為全球科技創新的又一焦點。

今天小編就匯總了，關于超材料十大最新研究進展，希望，給正在進行超材料研究的同學提供一些科研思路。

1、折紙超材料的拓撲運動學——新一代“無耗能電子材料”

“拓撲”（topology）這一概念的引入極大地推動了凝聚態物理學的飛速發展，誕生了諸如拓撲絕緣體（topological insulator）、外爾半金屬（Weyl semimetal）等新一代“無能耗”電子材料。實際上，拓撲的概念廣泛適用于各種非電子材料，并且可用于理解各種看似無關的現象。最近，受“折紙”（origami）這一兒時游戲的啟發，來自康奈爾大學的Itai Cohen課題組、加州大學美熹德分校的Bin Liu、哈佛大學的JesseL. Silverberg等科研機構的研究人員將拓撲學原理應用于折紙力學超材料（origami-inspired mechanical metamaterials）中，并演示如何通過剪裁折痕配置空間（crease configuration-space）的拓撲來指導其運動學機理。具體來說，他們通過簡單地改變折痕的角度，來修改配置空間拓撲結構，并驅動折紙結構從平穩和不斷變形的狀態轉變為力學雙穩態和剛性狀態（bistable andrigid）。此外，他們還研究了如何使用拓撲脫節配置空間（disjointed configuration space）來限制單個折疊片的局部可控變形。盡管，對折紙結構的分析通常依賴于其本構關系，但他們所提出的拓撲學抽象概念可用于深入分析、理解和設計更具普適意義的超材料。該研究工作發表在最近的《Nature Physics》中。

文章鏈接：Bin Liu,Jesse L. Silverberg, Arthur A. Evans, Christian D. Santangelo, Robert J. Lang,Thomas C. Hull & Itai Cohen, Topological kinematics of origami metamaterials, Nature Physics （2018）。DOIhttps://doi.org/10.1038/s41567-018-0150-8

2、在任意k點具有折射率橢球面的新型超材料

在介質中，電磁波的傳播行為是由等頻面（equifrequency surface）控制的。到目前為止，包括介質在內的普通材料和超材料的等頻面（橢球體或雙曲面體）總是以零k點為中心。然而，來自香港科技大學的C.T. Chan教授課題組、英國倫敦帝國理工學院的John B. Pendry教授以及蘇州大學的Bo Hou教授提出了一種新型超材料——Wire Metamaterial，它擁有以任意非零k點為中心的多個折射率橢球（index ellipsoid）。它們在動量空間中的位置取決于一套相互貫穿金屬支架（interpenetrating metallic scaffold）的連通性，而模式的群速度由結構幾何細節決定。這種新型超材料的性質源自于全局的可連接性（global connectivity），因此可以在諸如負折射（negative refraction）、取向依賴的耦合效應以及無壁腔體（cavity without walls）等應用中具有寬帶性質，并且它們與帶寬受限的普通共振超材料具有本質上的差異。研究人員還進行了微波實驗，來驗證該超材料體系的寬譜負群速度、取向依賴的耦合效應。相關研究發表在近期的《Nature Communications》上。

文章鏈接：Wen-Jie Chen,Bo Hou, Zhao-Qing Zhang, John B. Pendry & C. T. Chan, Metamaterials with index ellipsoids at arbitrary k-points, Nature Communications 9, Article number: 2086 （2018）。

3、腔量子聲學器件在多模強耦合系統中的研究

量子比特（qubit）不但是實現量子計算的基礎，也是研究量子力學本質問題的有力工具。近年來，在腔量子電動力學系統基礎上發展起來的電路量子電動力學系統（circuit quantum electrodynamics system）是一種全新的量子比特，由于在退相干時間等參數上遠遠超出之前的超導量子比特，因此受到了極大的關注。來自科羅拉多大學Boulder分校的研究人員展示了一種電路量子電動力學系統的聲學類比體系，該系統利用聲學性質在色散區間中實現了多模強耦合（strong multimode coupling），同時抑制自發輻射至非限制模式（unconfined mode）。具體而言，該聲學體系包含一個與磁通可調transmon相耦合的300μm長的聲表面波諧振器（surface acoustic wave resonator）。對于某些特定的模式，量子比特腔（qubit-cavity）耦合達到6.5 MHz，超過了腔損耗率（200 kHz）、qubit線寬（1.1 MHz）和腔自由光譜范圍（4.8 MHz），表明器件處于強耦合狀態和強多模態區域。正如對聲子自發輻射的預期，隨著量子比特從腔受限模式中解諧，可以觀察到量子比特線寬強烈地依賴于聲子的頻率；并且基于研究結果，獲得了抑制這種發射速率的工作頻率。該工作發表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：Bradley A.Moores, Lucas R. Sletten, Jeremie J. Viennot, and K.?W. Lehnert, Cavity QuantumAcoustic Device in the Multimode Strong Coupling Regime, Phys. Rev. Lett. 120,227701 – Published 30 May 2018.

4、二維聲子腔中的量子效應研究

隨著體系特征尺寸的減小，相關物理機制的描述將從經典物理變為量子物理。近年來，納米技術的進步使得我們能夠在更小的尺度上對電子、光子、聲子的量子行為開展研究。最近，來自莫斯科物理技術學院、MISiS、莫斯科國立師范大學、倫敦大學皇家霍洛威學院等機構組成的研究團隊在聲表面波諧振器（surface acoustic wave resonator）中，通過與人造超導原子的相互作用而產生的真空拉比模式分裂（Rabi mode splitting）來實現quantum regime。由于聲表面波器件由大量較窄的金屬條帶（metal strip）組成，因此在物理上和實驗技術上都具有具有一定的挑戰性。在低于20mK的極低溫度下，研究人員觀測到了透射圖譜的反交叉型特征峰，表明該體系是一個典型的兩能級系統，并且與理論計算保持一致。這項工作為利用聲子實現量子光學現象的類比鋪平了道路，并可用于片上量子電子學器件的應用研究。該研究工作發表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：Aleksey N.Bolgar, Julia I. Zotova, Daniil D. Kirichenko, Ilia S. Besedin, Aleksander V.Semenov, Rais S. Shaikhaidarov, and Oleg V. Astafiev, Quantum Regime of a Two-Dimensional Phonon Cavity, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 – Published 31 May2018.

5、復雜等離子體場的寬帶與動態構建

相干表面等離子激元極化基元（surface plasmon polariton, SPP）場的剪裁設計（tailor），為許多納米光子應用帶來了全新的機遇。在以往的研究中，基于光斑系綜（an ensemble of spots）已經實現了聚焦SPP斑點的掃描和SPP場分布的設計。然而，由于SPP通常是被高亮度、相干的激光所激發，因此相鄰光斑之間的干擾是不可避免的，并且會影響整體SPP場分布。近日，來自深圳大學的袁小聰教授、林佼教授領銜的研究團隊，聯合澳大利亞拉籌伯大學、皇家墨爾本理工大學和墨爾本大學的研究人員，通過考慮將相干場作為一個整體而非分立的光斑，報道了一個用以生成可剪裁二維SPP場分布的可重構（reconfigurable）和波長無關的研究平臺。并且，這種技術可以實現單片SPP場相位梯度方向（即面內能量流的方向）的動態調控；其所需的相位信息是由入射激光束攜帶的，不需要引入與波長相關的納米結構，因而可以用于各種波長的調控。基于該研究思路，可以拓展到許多不同的應用領域：例如，強度分布和能量流的有效控制將有可能實現利用等離子鑷子對金屬納米粒子的動態控制；SPP的寬帶激發能力可用于不同顏色SPP的產生、高速面內通信以及大容量數據存儲。這種新方法揭示了2D相干場分布的固有約束條件，并且同樣適用于聲表面波等其他二維表面受限波動系統，在相關領域的結構設計與研究方面具有重要的指導意義。相關研究發表在近期的《Science Advances》上。

文章鏈接：Shibiao Wei,Guangyuan Si, Michael Malek, Stuart K. Earl, Luping Du, Shan Shan Kou, XiaocongYuan, and Jiao Lin, Toward broadband, dynamic structuring of a complex plasmonic field, Science Advances 01 Jun 2018: Vol. 4, no. 6, eaao0533 DOI:10.1126/sciadv.aao0533

6、具有全波操作的混合共振記憶超材料

“記憶超材料”（Memory metamaterials）是一類能夠實現對電磁響應持久性調制（persistent tuning）的新興人工微結構材料，通常由人工構成的諧振元件與自然記憶材料耦合而成，受電場、光線和熱量等外部刺激的控制。盡管目前已經有多種自然界的記憶材料得到了應用，但仍缺少人們對基于鐵磁材料（ferromagnetic materials）的記憶超材料研究。

近日，來自韓國西江大學Kiejin Lee領銜的研究小組報道了基于“超材料-鐵磁”混合共振（hybrid resonance）系統、在微波頻段應用的記憶超材料。該研究驗證了混合共振能夠以輸入微波信號的頻率和振幅為調制函數，并且可以可逆地調諧（tuned reversibly）。這種持久性混合共振調諧的基本原理是磁疇結構能夠基于微波輸入信號進行自適應的結構調制。相關研究發表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

文章鏈接：Hanju Lee, Shant Arakelyan, Barry Friedman, Kiejin Lee, Hybrid Resonance Memory Metamaterial with Full‐Wave Operation, First published: 18 May 2018https://doi.org/10.1002/adfm.201800760.

7、基于納米級熱輻射的“熱二極管”

“熱整流器”（Thermal rectifier），通常也被稱為“熱二極管”（thermal diode），是一種與電子二極管熱類似、實現熱流非對稱傳輸的熱邏輯器件。盡管基于熱對流效應（convection）和熱傳導的熱二極管概念早已被提出，但是基于熱輻射（thermal radiation）的固態熱二極管卻很少受到關注。

最近，來自密歇根大學、德國奧登堡大學、法國泰勒斯研究與技術研究院的科研團隊向我們展示了摻雜Si與氧化釩VO2表面之間的納米級熱輻射整流效應。具體來說，當溫度梯度的方向發生反轉時，VO2的“金屬-絕緣體轉變”能夠使Si和VO2之間熱輻射效率出現巨大差異，從而導致熱流大小因溫度梯度方向的改變而產生非對稱傳輸。進一步研究表明，這種整流效應在納米級的表面分離時會得到增強，并且在~140nm的間隙和70K溫差下達到超過50％的最大整流系數（rectification coefficient）。理論模型表明，這種高整流系數是由于金屬態的VO2與Si表面具有較寬的輻射光譜，而其與絕緣態的VO2只有較窄的輻射光譜和熱傳輸。這項工作成功證明了基于近場熱輻射效應實現熱力學整流現象的可行性，為基于納米輻射的信息處理設備和熱管理方法的構建點明了關鍵的方法和部件。相關研究發表在近期的《ACS Nano》上。

文章鏈接：Anthony Fiorino, Dakotah Thompson, Linxiao Zhu, Rohith Mittapally, Svend-Age Biehs, Odile Bezencenet, Nadia El-Bondry, Shailendra Bansropun, Philippe Ben-Abdallah, Edgar Meyhofer , and Pramod Reddy, A Thermal Diode Based on Nanoscale Thermal Radiation, ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b01645.

8、用于超寬帶雷達截面降低和漫散射的均勻分層編碼超材料

雷達散射截面（Radar Cross section, RCS）是雷達隱身技術中最關鍵的概念，它代表了目標在雷達波照射下所產生回波強度的物理量：雷達截面積越小，雷達對目標的信號特征就越小，探測距離也越短。為了減少結構的RCS，人們通常在物體表面設計雷達吸收超材料（radar absorbing metamaterials）或是采用180°反相干涉，來消減反射波的強度來增強對雷達微波的吸收，然而這兩種方法都需要在較窄的帶寬內工作。因此，近年來人們提出一種平面棋盤狀超表面結構（planar chessboard-like metasurface）來實現寬帶的RCS減弱，特別是基于編碼超表面（coding metasurface）或數字超表面（digital metasurface）的概念已經達到了較寬的工作帶寬。最近，來自中國傳媒大學的李增瑞教授課題組、內布拉斯加大學林肯分校的Yaoqing （Lamar） Yang教授、電磁散射重點實驗室的殷紅成研究員和北京交通大學的王均宏教授提出了一種新型的非均勻分層編碼超材料瓦片（metamaterial tile），可以用來實現超寬帶的RCS降低和電磁波漫散射（diffuse scattering）。

超材料瓦片由兩種不同層厚的方形環基元（unit cell）組成，兩個基元之間在一個超寬頻段范圍內實現了180°（±37°）的反射相位差；由于基元之間的相位抵消，超材料瓦具有偏離法線方向的四個強波瓣（strong lobes）的散射圖案。超材料瓦片及其90度旋轉可以被編碼為覆蓋物體的‘0’和‘1’元素，并且可以通過優化相位分布的手段來實現漫散射模式，從而實現單體和雙靜態RCS的同時減少。超材料瓦片在法向入射時可實現從6.2GHz至25.7GHz寬譜范圍內的-10dB RCS降低，比例帶寬（ratio bandwidth）為4.15：1，該測量結果和模擬結果非常吻合，展現出超材料瓦片在電磁隱身和其他微波應用的巨大潛力。該研究結果發表在最近的《Scientific Reports》上。

文章鏈接：Jianxun Su, Huan He, Zengrui Li, Yaoqing （Lamar） Yang, Hongcheng Yin & Junhong Wang, Uneven-Layered Coding Metamaterial Tile for Ultra-wideband RCS Reduction and Diffuse Scattering, Scientific Reports volume 8, Article number: 8182 （2018）。 doi:10.1038/s41598-018-26386-5.

9、由3D打印PETG預制棒制成的中紅外中空內芯微結構光纖

中紅外（Mid-infrared）光纖長期以來以其在安全、生物和化學傳感等方面的廣泛應用，引起了科研人員的極大興趣。傳統意義上，這類光纖的制備研究主要集中在中紅外波段吸收率低的材料，如硫族化合物，然而這些材料往往難以控制并且通常含有高毒性元素。最近，來自英國南安普頓大學和巴西坎皮納斯州立大學的研究人員向我們演示了在中紅外波段具有光學導波特性的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PETG）空心光纖（HCF），通過使用商業的3D打印技術制造具有特定結構的塑料預制棒，然后使用常規的光纖拉伸裝置進行拉制，成功制備出外徑為466μm、中空直徑為225μm的PETG中空內芯微結構光纖，在3.5-5μm波長范圍內實現了良好的光學導波效果。相關研究發表在最新一期的《Scientific Reports》上。

文章鏈接：Wanvisa Talataisong, Rand Ismaeel, Thiago H. R. Marques, Seyedmohammad Abokhamis Mousavi, Martynas Beresna, M. A. Gouveia, Seyed Reza Sandoghchi, Timothy Lee, Cristiano M. B. Cordeiro & Gilberto Brambilla, Mid-IR Hollow-core microstructured fiber drawn from a 3D printed PETG preform, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 8113 （2018）。 doi:10.1038/s41598-018-26561-8.

10、高性能超薄手性超材料

手性超材料（Chiral Metamaterial）是一種能夠基于光波或聲波的手性特征，在更大的自由度上對其進行任意調控的超構材料。其中，主動式的光學手性超材料將有可能應用于新型光學傳感器、調制器和光開關等。最近，來自德克薩斯大學奧斯汀分校的Yuebing Zheng、Mingsong Wang以及中山大學的JianwenDong研究團隊研制出一種高性能的超薄手性超材料，實現了對光學手性特征的高度可調。他們將兩層相同的金納米孔陣列薄膜相互堆疊并以介質層隔開，形成二維moiré條紋，通過理論模擬和實驗證實了近場耦合對手性光的影響。更進一步，他們使用絲素蛋白薄膜（silk fibroin）作為間隔層，通過特定溶劑對絲素蛋白薄膜的溶脹特性調控，實現了近場耦合以及手性光學特征的主動調節。令人印象深刻的是，在單個超薄（1/5波長厚度）結構中即可實現了超過半高寬波長范圍的光譜偏移。最后，他們將該超材料作為超靈敏傳感器，應用于檢測低至200 ppm的痕量溶劑雜質，具有優于105 nm/RIU的超高靈敏度以及品質因子。相關研究在近期的ACS Nano上線。

文章鏈接：Zilong Wu,Xiaodong Chen, Mingsong Wang, Jianwen Dong, and Yuebing Zheng, High-PerformanceUltrathin Active Chiral Metamaterials, ACS Nano （Article ASAP）， DOI:10.1021/acsnano.8b02566.

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責任編輯：韓鑫

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