[科普中國]-超材料

超材料（英文：Metamaterial）, 拉丁語詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義。指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，這些材料是自然界沒有的。它們擁有一些特別的性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的。超材料的成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質(zhì)源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。其中的微結(jié)構(gòu)，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對(duì)波施加影響。 對(duì)于超材料的初步研究是負(fù)折射率超材料。12

超材料的奇異性質(zhì)使它具有廣泛的應(yīng)用前景，從高接收率天線，到雷達(dá)反射罩甚至是地震預(yù)警。

超材料是一個(gè)跨學(xué)科的課題，囊括電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等等。

定義“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料?！俺牧稀保∕etamaterial）是21世紀(jì)以來出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來自人工的特殊結(jié)構(gòu)。

超材料的設(shè)計(jì)思想是新穎的，這一思想的基礎(chǔ)是通過在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)來突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設(shè)計(jì)思想昭示人們可以在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶入一個(gè)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”。

六類超材料**1、**自我修復(fù)材料——仿生塑料

伊利諾伊大學(xué)的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當(dāng)出現(xiàn)破損時(shí)，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)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(fā)出了一種熱電發(fā)電機(jī)，它可被直接插入普通發(fā)電機(jī)的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機(jī)使用了一種相對(duì)便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達(dá)到5-10%的能效?？茖W(xué)家們已經(jīng)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(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用——比如在太空飛船上——但方鈷礦具備廉價(jià)和能效高的特點(diǎn)，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機(jī)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(zhuǎn)化率。到了2014年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%。相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過20%的能效?？茖W(xué)家認(rèn)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(jié)構(gòu)所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽能電池當(dāng)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(dāng)中精心組裝。

**4、**氣凝膠

氣凝膠可由任意數(shù)量的物質(zhì)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(jié)構(gòu)也賦予其超高的強(qiáng)韌性。

NASA的科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)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(shí)的絕緣材料。

5、Stanene——導(dǎo)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(shí)現(xiàn)的特性：100%的導(dǎo)電率。

Stanene在2013年由斯坦福大學(xué)張首晟教授首次進(jìn)行了理論化。預(yù)測(cè)Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實(shí)驗(yàn)室所擅長的領(lǐng)域之一，根據(jù)他們的模型，Stanene是一種拓?fù)浣^緣體，也就是說，它的邊緣是導(dǎo)體，而內(nèi)部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導(dǎo)電。

6、光操縱材料

光操縱超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對(duì)光線進(jìn)行散射，它或許真的可以讓物體隱形。根據(jù)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(shí)際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

歷史沿革1968年，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個(gè)疑問，并在理論上預(yù)測(cè)了上述“反常”現(xiàn)象。只是由于沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加之當(dāng)時(shí)處于功能材料發(fā)展初期，人們對(duì)菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。

美國《科學(xué)》雜志將其列入本世紀(jì)前10年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一，引發(fā)了諸如新一代信息技術(shù)、國防工業(yè)、新能源技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革。

發(fā)達(dá)國家的政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對(duì)超材料技術(shù)的研發(fā)給予高度重視，制定了相關(guān)計(jì)劃，投入了大量人力和物力。

美國國防部專門啟動(dòng)了關(guān)于超材料的研究計(jì)劃，美國最大的6家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。美國國防部更是將其列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一。

歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費(fèi)支持。

日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺(tái)了一項(xiàng)研究計(jì)劃，支持至少兩個(gè)關(guān)于超材料技術(shù)的研究項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目約為30億日元。

研究現(xiàn)狀國外發(fā)展在各國科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。

美國的科學(xué)家制造出一種反彈陶瓷管，相比傳統(tǒng)脆而硬的陶瓷，這種反彈陶瓷管在被壓縮50%后還能復(fù)原。這種陶瓷將在“普通物質(zhì)無能為力的地方大顯身手”，如航天飛機(jī)或者噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱設(shè)備。

2006年，北卡羅來納州的杜克大學(xué)（Duke University）和倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College）的研究者成功挑戰(zhàn)傳統(tǒng)概念，使用超材料讓一個(gè)物體在微波射線下隱形。盡管仍有許多難關(guān)需要克服，但我們有史以來頭一次擁有了能使普通物體隱形的方案（五角大樓的國防高級(jí)研究計(jì)劃署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]資助了這一研究）。

在德國，科學(xué)家已經(jīng)使用一種叫作“徑直激光平版刻錄”技術(shù)制成由微型塑料棒構(gòu)成的隱形材料片。將上述隱形材料片覆蓋在物體上，在紅外照相儀觀測(cè)下，隱形材料改變了覆蓋物周圍光線的速度，從而使覆蓋物和被覆蓋物一同消失。而包括美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署在內(nèi)的軍方機(jī)構(gòu)，尋求的正是這種隱藏技術(shù)，以便讓飛機(jī)在軍事雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)隱身。

法國科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了通過超材料墻壁和地面精確打孔來轉(zhuǎn)移地震波，讓地震和海嘯偏離建筑物或城鎮(zhèn)，以達(dá)到減災(zāi)的目的。

荷蘭的的科學(xué)家則制造出在力學(xué)上可編程的智能橡膠。通過小型開關(guān)的控制和特殊的設(shè)計(jì)，這種智能橡膠可以像一塊超大海綿一樣變硬或者變軟，甚至在擠壓下可以在這兩個(gè)階段進(jìn)行快速轉(zhuǎn)變。借助這種材料，人們不久或?qū)⒖梢源┥夏芡ㄟ^感應(yīng)地面軟硬度而自動(dòng)調(diào)節(jié)的鞋子。

中國發(fā)展相比于不少國家相對(duì)分散的發(fā)展模式，中國在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項(xiàng)等項(xiàng)目中對(duì)超材料研究予以立項(xiàng)支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，我國企業(yè)取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)中占到先機(jī)。

曾在美國留學(xué)并在《科學(xué)》雜志發(fā)表關(guān)于新型超材料寬頻帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中代表。2010年，以劉若鵬博士為首的5位留學(xué)生團(tuán)隊(duì)回國創(chuàng)辦了深圳光啟。經(jīng)過幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)超過2800件專利，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的86%，該公司還在創(chuàng)建基于超材料的智慧社區(qū)、無線互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結(jié)構(gòu)精試線，設(shè)備定制化程度高達(dá)70%，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2微米的工藝精度。他們還設(shè)計(jì)了超材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程。

以其設(shè)計(jì)的電磁超材料天線為例，運(yùn)用一塊可折疊為筆記本大小、印著“江南水鄉(xiāng)風(fēng)景畫”的電路板，飛機(jī)、火車、輪船、汽車就能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠(yuǎn)地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。不管衛(wèi)星在天空中的哪個(gè)地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統(tǒng)的碟形天線一樣總朝一個(gè)方向盯著一顆衛(wèi)星。

美國類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計(jì)劃今年才開始，而光啟早在3年前便在我國22個(gè)省份進(jìn)行了安裝試用。而這，僅僅是中美之間近年來在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競(jìng)爭(zhēng)之一。

此外，為了打破歐美對(duì)超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，上月，全國電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)審查和報(bào)批了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語》。這意味著，我國在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)我國在超材料技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化起到重要作用。

發(fā)展前景有調(diào)研公司預(yù)測(cè)，超材料全球市場(chǎng)規(guī)模在2010-2020年間將以高達(dá)41%的年復(fù)合增長率發(fā)展。可以預(yù)計(jì)，隨著全球“工業(yè)4.0”進(jìn)程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，一個(gè)可帶動(dòng)諸如高速列車、新型地面行進(jìn)裝備、航空航天、國防科技、地面智能機(jī)器人等領(lǐng)域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。

利用駕馭電磁波的超材料技術(shù)來建造未來世界，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點(diǎn)。

基本原理根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)間和空間都是可以“彎曲”的，而空間里的光線同樣可以彎曲，前提是設(shè)計(jì)并制作出足夠小的“設(shè)備”。近年來，科學(xué)家沿著菲斯拉格的理論，依靠一些間隔僅有1毫米的幾千分之一的人工結(jié)構(gòu)，將材料的單元結(jié)構(gòu)(人工原子和人工分子)集合，通過不同的結(jié)合結(jié)構(gòu)和排列設(shè)計(jì)制造出各種超材料，實(shí)現(xiàn)了讓光波、雷達(dá)波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢(mèng)想。

超材料的應(yīng)用與原有的材料制備有很大的區(qū)別，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設(shè)計(jì)，根據(jù)針對(duì)電磁波的具體應(yīng)用需求，制造出具有相應(yīng)功能的材料。

主要特征metamaterial重要的三個(gè)重要特征：

（1）metamaterial通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；

（2）metamaterial具有超常的物理性質(zhì)（往往是自然界的材料中所不具備的）；

（3）metamaterial性質(zhì)往往不主要決定于構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用研究目前，基于這些實(shí)驗(yàn)成果展開的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷達(dá)天線、吸波材料、電子對(duì)抗雷達(dá)、超材料通信天線、無人機(jī)雷達(dá)、聲學(xué)隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

專家觀點(diǎn)“超材料”這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個(gè)領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學(xué)領(lǐng)域引發(fā)轟動(dòng)，接著長驅(qū)直入，進(jìn)入包括熱力學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，最近又開始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。（德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授）

超材料對(duì)航空航天、國防、民用科學(xué)技術(shù)的促進(jìn)表明，新材料將會(huì)成為科學(xué)研究中一個(gè)很重要的切入點(diǎn)和方向，將會(huì)對(duì)眾多領(lǐng)域帶來沖擊和影響，并產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)，這個(gè)意義極為深遠(yuǎn)。（中國工程院院士段寶巖）

超材料的設(shè)計(jì)思想和方法很有可能成為發(fā)掘材料新功能、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)新方向，提高材料綜合性能、突破稀缺資源瓶頸的有力手段。應(yīng)進(jìn)一步明確在國家層面大力發(fā)展超材料技術(shù)的必要性，凝練發(fā)展重點(diǎn)，選擇合理技術(shù)路線，制定符合超材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、與我國國情相適應(yīng)的超材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。（中國鋼研科技集團(tuán)有限公司副總工程師周少雄）

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)