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什么是超材料?

摘要: 中学时老师告诉我们,当一束光从空气斜射入水中,入射光与折射光应该在法线两侧。那么,是否存在这样一种介质,当光入射其中,入射光与折射光位居法线同侧? 1968年,前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现,介 ...

 

    中学时老师告诉我们,当一束光从空气斜射入水中,入射光与折射光应该在法线两侧。那么,是否存在这样一种介质,当光入射其中,入射光与折射光位居法线同侧?

    1968年,前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现,介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质,与常规材料不同,从而在理论上预测了上述“反常”现象。超材料的概念便源于此。

    Metamaterial,其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义,因此一般文献中给出超材料的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。”但实际上,到目前超材料还没有统一定义。那超材料到底是什么?我们从其特征就能做出判断:

    具有新奇人工结构的复合材料;具有常规(或传统)材料不具备的超常物理性质;超常物理性质主要由新奇的人工结构决定;新奇的人工结构包括单元结构(人工原子和人工分子)和单元结构集合而成的复合结构两个层次。

    隐身衣是近年来出镜率最高的超材料应用,电磁超材料是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向,典型的超材料还包括左手材料、光子晶体和非正定介质等,听起来都非常“科幻”。

    由于上世纪60年代没有实验验证,加之时值功能材料处于发展初期,立足于原子、分子层次结构设计与调控的传统材料设计思想,在新型功能材料研发中仍有强大的生命力,因此,人们对菲斯拉格的发现未予以高度重视。

    随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露,显著提高材料综合性能的难度越来越大,材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高,发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路,成为新材料研发的重要任务。菲斯拉格的发现重新回到人们视线。

    超材料是材料设计思想上的重大创新,对新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微细加工技术等领域可能产生的深远影响,发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视,制定了相关计划,投入了大量人力和物力。

    从负折射率到电磁黑洞

    2001年,美国加州大学圣迭戈分校的史密斯教授等人在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品,并实验证明了负折射现象与负折射率。翌年,美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现超材料的新方法。

    2002年底,麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性,并称之为“导向介质”,他预言了这种人工材料在高指向性的天线、聚焦微波波束、“完美透镜”、电磁波隐身等方面的应用前景。2006年,史密斯教授及其在杜克大学的科研小组设计、制造了著名的“隐身大衣”,并成功地进行了实验证明。2009年又出现了宽频带的隐身衣。2010年科学家发现了电磁黑洞。

    光子晶体、左手材料、隐身衣等超材料研究成果被美国《科学》杂志先后于2000年、2003年、2006年选为年度10项重大进展之一。《Materials Today》杂志在2008年将超材料评为材料科学50年中的10项重要突破之一。2010年,《科学》杂志又将超材料列入本世纪前十年的10项重要科学进展之一。

    目前,美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划,美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域最顶尖的科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额的经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划,支持了至少有两个关于超材料技术的研究项目,每个项目约为30亿日元。

    重大创新将产生重大效益

    近10年来,超材料研究之所以能引起全世界的高度关注,源自于超材料所体现的材料设计思想的重大创新,以及这一创新将产生的重大效益。

    首先,通过材料结构的创新设计,实现全新的物理现象,产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料,促进甚至引领新兴产业发展;然后利用超材料设计思想,提升传统材料性能,突破稀缺资源瓶颈,实现传统材料产业的技术升级和结构调整。

    电磁超材料实现,使我们继利用半导体自由调控电子传输之后,首次具备了自由调控电磁波的能力。这对未来的新一代通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。

    隐身衣是一种以开口谐振环为单元结构、非均匀方式排列成圆环结构的超材料,其应用大家不言自明。

    “电磁黑洞”是一种能够全向捕捉电磁波的电磁超材料,能引导电磁波在壳层内螺旋式地行进,直至被有耗内核完全吸收,使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现,不仅将为太阳能利用技术增加新的途径,产生全新的光热太阳能电池,还能应用于红外热成像技术,大幅度提高红外信号探测能力,因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。

    慢波结构是一种能使电磁波减速甚至停止的电磁超材料,不仅可应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术,还可应用于光缓存和深亚波长光波导,极大增强非线性效应,促进光电技术的发展。

    超材料透镜是一种可实现高定向性辐射的电磁超材料,可用于制造先进的透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等。

    此外,如将超材料设计思想应用于常规材料,可在显著提高材料综合性能的同时,大幅度减少稀缺元素

    用量,为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如,常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合,可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下,使磁性材料的磁能级成倍提高,而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。

本篇文章来源于 科技网  作者: 滕继濮

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2013-6-12 22:35
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