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被美国国防部列为六大颠覆性技术之一,超材料

2019-07-11 15:01作者:侠客

1. 超材料

超材料(Metamaterial)概念来源于1968年前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)观察到的介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学特性,与常规材料不同的现象和理论预测。只是由于没有实验验证,加之当时处于功能材料发展初期,人们对菲斯拉格的发现并未予以足够重视。


后来,“超材料”一词由美国德克萨斯州大学奥斯汀分校Rodger M. Walser教授提出,用来描述自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料


尽管各种科学文献给出的定义也各不相同,但一般都认为“超材料”是以人工结构作为基本功能单元、能够实现自然材料不具备的超常物理性质的人工材料


超材料是世纪之交诞生的一个新的科学概念。基于这一概念,在过去的十几年中发展出了一系列具有奇异特性的新型人工材料系统,可望在诸多领域产生颠覆性技术。


超材料技术被美国国防部列为“六大颠覆性基础研究技术”之一,并先后被评选为材料科学领域“50年中的10项重大成果”之一和21世纪前10年10项重大突破之一。


近年来,典型的超材料如左手材料、“隐身斗篷”、完美透镜等已在光学、通信、国防等应用领域渐露头角,而为数众多的电磁超材料、力学超材料、声学超材料、热学超材料以及基于超材料与常规材料融合的新型材料相继出现,形成了新材料的重要生长点。


2. 超材料诞生的原理

根据广义相对论,时间和空间都是可以“弯曲”的,而空间里的光线同样可以弯曲,前提是设计并制作出足够小的“设备”。


近年来,科学家沿着菲斯拉格的理论,依靠一些间隔仅有1mm的几千分之一的人工结构,将材料的单元结构(人工原子和人工分子)集合,通过不同的结合结构和排列设计制造出各种超材料,实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。


超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别,以往是自然界有什么材料,就能制造出什么物品,而超材料完全是逆向设计,根据电磁波的具体应用需求,制造出具有相应功能的材料。


超材料有三个重要特征:


  1. 具有新奇人工结构的复合材料
  2. 具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)
  3. 超材料性质往往决定于其中的人工结构(不取决于构成材料的本征性质)

3. 超材料科研的你争我赶

超材料的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出革命性的应用前景得到了世界各国政府、科技界、产业界,以及国防部门的密切关注。


美国国防部启动了关于超材料的多项研究计划,美国大型的半导体公司如英特尔、美国超威半导体(AMD)和国际商业机器公司(IBM)等也成立了联合基金资助相关研究。


欧盟组织了50多位顶尖的科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额经费支持。


日本在经济低迷之际出台了一项研究计划,支持至少两个关于超材料技术的研究项目,每个项目的研究经费约为30亿日元。


相比于不少国家相对分散的发展模式,中国在超材料领域的发展模式则更加聚焦和有力。我国已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面,我国企业取得了多项原创性成果,并在世界超材料产业化竞争中占到先机。超材料的研究和工程化应用在近年来得到了迅速发展。


在电磁超材料方面,科学家对各种电磁谐振结构进行了优化,发展出了多种基于金属线和SRR环的衍生结构以及介质结构的人工原子,并设计研制出了隐身斗篷、完美透镜等新型超材料器件;与此同时,将微纳加工技术引入到了超材料的制备,发展出了可在光学频段下工作的各种超材料和器件。


近年来,超材料也从电磁领域逐渐走向了力学、声学、热学以及传质等领域,一系列具有超常性质和奇异功能的新型超材料相继问世。


4. 专家谈超材料

“超材料”这一概念已经慢慢渗入多个领域。这一技术最初在电磁学领域引发轰动,接着长驱直入,进入包括热力学在内的多个领域,最近又开始在力学领域掀起狂澜。


——马丁·魏格纳教授 德国卡尔斯鲁厄理工学院


超材料对航空航天、国防、民用科学技术的促进表明,新材料将会成为科学研究中一个很重要的切入点和方向,将会对众多领域带来冲击和影响,并产生新的产业,这个意义极为深远。


——段宝岩院士


超材料的设计思想和方法很有可能成为发掘材料新功能、引领产业新方向,提高材料综合性能、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。应进一步明确在国家层面大力发展超材料技术的必要性,凝练发展重点,选择合理技术路线,制定符合超材料技术发展趋势、与我国国情相适应的超材料技术发展战略。


——副总工程师周少雄 中国钢研科技集团有限公司


✎改编丨崔敏


☟ 改编原文周济,李龙土.超材料技术及其应用展望[J].中国工程科学,2018,20(6):69-74.

《中国工程科学》是中国工程院的智库期刊,创刊于1999年,致力于传播中国在工程科技领域的战略研究成果。


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