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收藏 | 一文看懂超材料

2019-06-06 16:39:29 作者：本網整理來源：科技日報、材料館、戰略前沿技術分享至：

什么是超材料？

中學時老師告訴我們，當一束光從空氣斜射入水中，入射光與折射光應該在法線兩側。那么，是否存在這樣一種介質，當光入射其中，入射光與折射光位居法線同側？

1968年，前蘇聯理論物理學家菲斯拉格（Veselago）發現，介電常數和磁導率都為負值物質的電磁學性質，與常規材料不同，從而在理論上預測了上述“反常”現象。超材料的概念便源于此。

Metamaterial，其中拉丁語詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義，因此一般文獻中給出超材料的定義是“具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。”但實際上，到目前超材料還沒有統一定義。那超材料到底是什么？我們從其特征就能做出判斷：

具有新奇人工結構的復合材料；具有常規（或傳統）材料不具備的超常物理性質；超常物理性質主要由新奇的人工結構決定；新奇的人工結構包括單元結構（人工原子和人工分子）和單元結構集合而成的復合結構兩個層次。

隱身衣是近年來出鏡率最高的超材料應用，電磁超材料是迄今為止超材料技術研究最為集中的方向，典型的超材料還包括左手材料、光子晶體和非正定介質等，聽起來都非常“科幻”。

由于20世紀60年代沒有實驗驗證，加之時值功能材料處于發展初期，立足于原子、分子層次結構設計與調控的傳統材料設計思想，在新型功能材料研發中仍有強大的生命力，因此，人們對菲斯拉格的發現未予以高度重視。

隨著傳統材料設計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發展超越常規材料性能極限的材料設計新思路，成為新材料研發的重要任務。菲斯拉格的發現重新回到人們視線。

超材料是材料設計思想上的重大創新，對新一代信息技術、國防工業、新能源技術、微細加工技術等領域可能產生的深遠影響，發達國家的政府、學術界、產業界對超材料技術的研發給予高度重視，制定了相關計劃，投入了大量人力和物力。

從負折射率到電磁黑洞

2001年，美國加州大學圣迭戈分校的史密斯教授等人在實驗室制造出世界上第一個負折射率的超材料樣品，并實驗證明了負折射現象與負折射率。翌年，美國加州大學Itoh教授和加拿大多倫多大學Eleftheriades教授領導的研究組幾乎同時提出一種基于周期性LC網絡的實現超材料的新方法。

2002年底，麻省理工學院的孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，并稱之為“導向介質”，他預言了這種人工材料在高指向性的天線、聚焦微波波束、“完美透鏡”、電磁波隱身等方面的應用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大學的科研小組設計、制造了著名的“隱身大衣”，并成功地進行了實驗證明。2009年又出現了寬頻帶的隱身衣。2010年科學家發現了電磁黑洞。

光子晶體、左手材料、隱身衣等超材料研究成果被美國《科學》雜志先后于2000年、2003年、2006年選為年度10項重大進展之一?！禡aterials Today》雜志在2008年將超材料評為材料科學50年中的10項重要突破之一。2010年，《科學》雜志又將超材料列入本世紀前十年的10項重要科學進展之一。

目前，美國國防部專門啟動了關于超材料的研究計劃，美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯合基金資助這方面的研究。歐盟組織了50多位相關領域最頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額的經費支持。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持了至少有兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目約為30億日元。

重大創新將產生重大效益

近10年來，超材料研究之所以能引起全世界的高度關注，源自于超材料所體現的材料設計思想的重大創新，以及這一創新將產生的重大效益。

首先，通過材料結構的創新設計，實現全新的物理現象，產生具有重大軍用、民用價值的新技術、新材料，促進甚至引領新興產業發展；然后利用超材料設計思想，提升傳統材料性能，突破稀缺資源瓶頸，實現傳統材料產業的技術升級和結構調整。

電磁超材料實現，使我們繼利用半導體自由調控電子傳輸之后，首次具備了自由調控電磁波的能力。這對未來的新一代通信、光電子/微電子、先進制造產業以及隱身、探測、核磁、強磁場、太陽能及微波能利用等技術將產生深遠的影響。

隱身衣是一種以開口諧振環為單元結構、非均勻方式排列成圓環結構的超材料，其應用大家不言自明。

“電磁黑洞”是一種能夠全向捕捉電磁波的電磁超材料，能引導電磁波在殼層內螺旋式地行進，直至被有耗內核完全吸收，使基于引力場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現象的發現，不僅將為太陽能利用技術增加新的途徑，產生全新的光熱太陽能電池，還能應用于紅外熱成像技術，大幅度提高紅外信號探測能力，因而在飛機、導彈、艦船、衛星等方面獲得廣泛的應用。

慢波結構是一種能使電磁波減速甚至停止的電磁超材料，不僅可應用于太陽能發電、高分辨紅外熱成像技術，還可應用于光緩存和深亞波長光波導，極大增強非線性效應，促進光電技術的發展。

超材料透鏡是一種可實現高定向性輻射的電磁超材料，可用于制造先進的透鏡天線、新型龍伯透鏡、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統等。

此外，如將超材料設計思想應用于常規材料，可在顯著提高材料綜合性能的同時，大幅度減少稀缺元素用量，為提升傳統材料產業提供了新的技術途徑。例如，常規軟磁與硬磁材料按特定的空間排布方式復合、普通碳鋼與高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空間排布方式復合，可在不使用釹、鉻、鎳等稀缺金屬的情況下，使磁性材料的磁能級成倍提高，而耐磨鋼的耐磨性與強韌性矛盾得到很好解決。

我國超材料技術發展現狀

我國政府對超材料技術予以了高度關注，分別在863計劃、973計劃、國家自然科學基金等科技計劃中予以立項支持。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，已取得原創性成果。

浙江大學在光波和超低頻超材料領域取得了一系列有影響的成果，發展出了基于慢波來設計超薄、寬吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隱身、磁共振成像和靜磁場增強方面的應用。

東南大學研究了均勻和非均勻超材料對電磁波的調控作用，提出了電磁黑洞和新型超材料隱身器件，發展出了雷達幻覺器件、遠場超分辨率成像透鏡、新型天線罩、極化轉換器等新型超材料器件。

清華大學研究介質基和本征型超材料，提出了通過超材料與自然材料融合構造新型功能材料思想，發展出了基于鐵磁共振、極性晶格共振、稀土離子電磁偶極躍遷以及Mie諧振的超常電磁介質超材料。

深圳光啟研究院則在國際上率先推進了超材料產業化，研發出超材料平板式衛星天線，在22個省市進行了測試，并在北京、天津等地得到了實際應用。

超材料的未來發展方向

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規模的產業化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現因技術的進一步突破取得更多成果的領域。筆者認為，超材料的研發要注重以下一些方向：

① 對超材料的工作頻段和方向控制的研究。從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達到紅外層次，同時大多數負折射率材料僅能在某些角度上實現負折射現象。對于實現更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應覆蓋整個可見光波段，同時也需要實現具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實現對光的控制。這將是未來超材料發展的重要課題。

② 超材料的產業化發展。超材料技術目前還處于實驗室到產品中試階段，如果要進行更大規模的產業化，還需要研究大規模制造大體積超材料的方法。目前實驗室僅掌握在平面上的超材料的制造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實現。同時表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規模地使用還有很長的距離。如何實現大規模地制造超材料是實現超材料廣泛使用的重要前提。

③ 新型超材料及其功能的設計、性能優化及相關模擬仿真方法。

④ 不同超材料之間相互作用的研究。這一方向的研究主要包括對超材料進場波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對超材料內部的傳播性質的研究。而對其規律性的研究又不斷提出新的理論、技術、方法的需求，從而推動與此相關的新理論概念、分析方法和實驗測量技術的發展。

最新研究成果

“超材料超透鏡”有望檢測早期癌細胞

超材料光學特性的研究者、紐約州立大學布法羅分校（University of Buffalo）的Natalia Litchinitser教授近日在她的論文中介紹了由她的團隊設計的一款可進行單個分子成像和癌細胞檢測的透鏡--超材料超透鏡。這種由微小的黃金薄片和透明聚合體超材料制成的透鏡能在可見光下工作，并解決傳統光學透鏡的折射問題。

受量子力學的測不準原理的制約，光學設備存在衍射極限，為半波長量級，衍射會導致“消逝波”，即光波逐漸消散在傳統透鏡中。為了能看到更精細的尺度，需要突破衍射極限。提高成像分辨率是近場光學的一個熱門領域，達到這些超高分辨率需配合昂貴的高精度儀器設備，而利用超材料來實現超高分辨率無疑是一種低成本的辦法。

這種微結構的尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響，實現讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想，這是傳統材料無法實現的。超材料超透鏡能將漸散的光波轉化成能被標準設備收集傳播的光線，繼而突破散射的限制。

傳統透鏡由銀和隔絕材料按照環形間隔排列制成。Litchinitser教授帶領他的團隊摒棄傳統方法，將黃金和聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）超材料按照放射型排列制成了一種新型的超透鏡。在《自然通訊》雜志（《Nature》子刊，SCI一區，影響因子高達10.742）的一篇論文中，Litchinitser教授的團隊闡述了使用光刻和電鍍來制作這種超透鏡的方法，并提供了光學試驗的波導。實驗顯示，在可見光下，光學內視鏡僅能成像1萬納米左右的物體，而使用超透鏡后，分辨率可提高至250納米或更好。

“醫療技術的發展急需我們提高觀測微小物體的能力，而超材料超透鏡的研發或許會幫助我們跨出一大步”，Litchinitser教授舉例道，“超材料超透鏡能用于觀察卵巢或腺體腫瘤活體切片組織中的單個癌細胞，而現有醫療條件下這兩種癌細胞還難以在早期被檢測。”

對于超材料在生物醫療領域的應用，國內研究者和研究機構也已在展開探索，如2011年，深圳光啟高等理工研究院揭牌成立了“超材料技術生物醫療應用工程實驗室”。

隨著超材料領域研究和應用的深化，超材料能否引領生物醫療領域的顛覆性變革，讓我們拭目以待。

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