國防科普加油站（5）數(shù)字超材料：賦予材料超級功能

生活中，那些具有超強本領(lǐng)和功夫的人，被人們稱之為“超人”；具有超強計算與處理能力的計算機稱為“超算”；超過音速被稱“高超聲速”。

在五花八門的材料世界里，也有一種物理性質(zhì)“超?！钡奶厥獠牧?，叫做“超材料”，它是本世紀(jì)才出現(xiàn)的一種具有特殊性質(zhì)的人造材料。這種材料在自然界并不存在，是通過對某種材料的再加工，并在其表面或體內(nèi)設(shè)計出的特殊幾何結(jié)構(gòu)或排列方式，使它擁有天然材料所不具備的特殊性質(zhì)。所以，超材料的性質(zhì)源自它的結(jié)構(gòu)，而天然材料的性質(zhì)由其成分來決定。

超材料具有神奇的特性，隨著科技的進步，如今比它更神奇的“同胞兄弟”又誕生了，即在超材料基礎(chǔ)上發(fā)展而來的“數(shù)字超材料”，或者叫數(shù)碼編程設(shè)計的超材料。它是一種通過特定設(shè)計、打破傳統(tǒng)規(guī)則結(jié)構(gòu)、擁有奇異光學(xué)及聲學(xué)等特性的超材料。有了它，“時光倒流”“動態(tài)隱身”“超級透鏡”這些天方夜譚似的神話，將更快地走進現(xiàn)實，改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

“反?！痹O(shè)問，催生新奇材料

原本自然界中不存在的超材料，是如何“無中生有”孕育出來的呢？俗話說，不怕做不到，就怕想不到。在科技領(lǐng)域，科學(xué)家在發(fā)明創(chuàng)造中則遵循著“大膽假設(shè)，小心求證”的思路和原則，超材料的發(fā)現(xiàn)正是這樣。

1968年，蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格發(fā)現(xiàn)，光束由空氣中斜射進入水中，入射光與折射光位居法線兩側(cè)。于是，他突發(fā)奇想：是否還有另一種介質(zhì)，與上述現(xiàn)象相反，能讓入射光與折射光位居法線同側(cè)呢？

菲斯拉格的這個“反?！币蓡?，并非異想天開。從理論上講，人們只需找到一種同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率材料，就能出現(xiàn)這一“反?！蔽锢憩F(xiàn)象。只是當(dāng)時沒有開展實驗驗證，加之功能材料尚處于發(fā)展初期，菲斯拉格的這個大膽的科學(xué)猜想并未引起重視。

理論上的“負(fù)折射率”液體

幸運的是，隨著人們對電磁理論的深入理解和微納加工工藝的快速發(fā)展，一種在微納尺度上擁有周期結(jié)構(gòu)的人造器件誕生了。它不僅在實驗上實現(xiàn)了負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等一切理論預(yù)言，更是讓人們深刻地理解到：通過在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，人們可以突破自然規(guī)律的限制，獲得超常功能的“新物質(zhì)”，即具有奇異功能的超材料。

超材料是材料設(shè)計思想上的一個跨越式重大創(chuàng)新，被譽為本世紀(jì)前10年的10項重要科學(xué)進展之一，已成為發(fā)掘材料新功能、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)新方向、突破稀缺資源瓶頸的有力手段。

創(chuàng)新永無止境。超材料方興未艾之時，數(shù)字超材料又應(yīng)運而生。2014年，我國東南大學(xué)研究團隊提出了數(shù)字、電磁可編程的“數(shù)字”超材料概念。它與擁有周期排布結(jié)構(gòu)的超材料不同，它由若干種單元按照編碼的方式排布，就好比給平凡無奇的材料注入“基因”，可由人們進行調(diào)控，而這些新型材料將會忠實地聽從“指示”，實現(xiàn)所需的各種奇異功能。

超級“另類”，自然與眾不同

“數(shù)字超材料”的出現(xiàn)，實際上是現(xiàn)代信息工業(yè)與前沿物理領(lǐng)域相互結(jié)合的產(chǎn)物，它將“編碼思維”融入進了新型超材料的設(shè)計過程中。在數(shù)字超材料中，不同的編碼會帶來不同的電磁響應(yīng)，加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念，數(shù)字超材料這個材料領(lǐng)域的超級“另類”，其性質(zhì)與功能也與眾不同，且獨樹一幟：

結(jié)構(gòu)新奇，顛覆認(rèn)知。數(shù)字超材料結(jié)構(gòu)十分“另類”，它既不同于天然材料依靠原子或分子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能，又不同于傳統(tǒng)超材料擁有規(guī)則的人工單元結(jié)構(gòu)，而是完全采用數(shù)字編碼的方式，憑借微納加工技術(shù)注入的“材料基因”，而擁有超常物理性質(zhì)和“超能力”，其新奇異結(jié)構(gòu)完全顛覆了人們對物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)知。目前，科學(xué)家們已經(jīng)研制出具備自我修復(fù)能力的仿生塑料，以及將熱電轉(zhuǎn)化為可用電力的熱電材料等“黑科技”。

逆向設(shè)計，按需定制。數(shù)字超材料采用數(shù)字編碼的方式設(shè)計，擁有十分廣闊的設(shè)計自由度，可根據(jù)不同應(yīng)用需求，實現(xiàn)“按需定制”。而基于“數(shù)字”的可編碼特性，又能突破傳統(tǒng)材料“正向求解”的設(shè)計方法，即根據(jù)各種約束條件，“從后向前”進行“逆向設(shè)計”，從而有效解決傳統(tǒng)設(shè)計存在的限制和缺點。國防科技大學(xué)文理學(xué)院研究團隊基于逆向設(shè)計和遺傳算法等技術(shù)手段，設(shè)計出了一種聚焦型波長分束器，可應(yīng)用于大容量光通信模塊、片上量子通信等領(lǐng)域。

基于數(shù)字超材料的波長分束器

數(shù)字編碼，實時可控。與傳統(tǒng)的超材料相比，數(shù)字超材料的每個人工單元，可將其簡化為“0”和“1”兩種狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)“0”和“1”兩種單元的排列和組合構(gòu)造不同性質(zhì)的組合單元，進而組裝成整個材料，實現(xiàn)特定的功能。用“數(shù)字化”方式表征超材料物理特性極大簡化了超材料的設(shè)計流程，提高了材料設(shè)計的靈活度，擴大了對材料性質(zhì)的調(diào)控范圍。若將可編程門陣列控制系統(tǒng)加載在結(jié)構(gòu)單元上，還可以實現(xiàn)對數(shù)字超材料物理功能的實時控制。

推廣應(yīng)用，助推轉(zhuǎn)型升級

超材料特別是數(shù)字超材料，是國際上重點關(guān)注的戰(zhàn)略前沿技術(shù)，它對新一代信息技術(shù)、國防工業(yè)、新能源技術(shù)等領(lǐng)域帶來了深刻變革，主要發(fā)達(dá)國家將其列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，紛紛開展研發(fā)與應(yīng)用。我國也對此高度重視，列入國家863、自然科學(xué)基金和新材料重大專項予以支持，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、東南大學(xué)、中科院成都光電所等國內(nèi)高校和科研院所在這方面已取得了一批原創(chuàng)成果。

隨著高性能計算和微納加工工藝的快速發(fā)展，數(shù)字超材料所展現(xiàn)的超常物理特性將帶動航空航天、新型裝備制造、人工智能等眾多領(lǐng)域突破性發(fā)展，應(yīng)用范圍將拓展到國民經(jīng)濟和國防建設(shè)各個方面。在軍事領(lǐng)域，數(shù)字超材料更是顯示出廣闊應(yīng)用前景。如超材料天線可實現(xiàn)對電磁波調(diào)整接收和自動校準(zhǔn)功能，拓展天線工作帶寬、降低能耗，有效增強天線的聚焦性和方向性，從而提高移動通信容量和高速通信能力，提升軍隊信息化作戰(zhàn)水平；利用數(shù)字電磁超材料對電磁波的實時調(diào)控能力，能實現(xiàn)等戰(zhàn)機、艦艇等武器裝備的全天候、多氣候條件下的電磁隱身、熱隱身、光隱身和聲隱身，增強其生存、突防能力；運用數(shù)字超材料制作的傳感器具有探測靈敏度高、戰(zhàn)場適應(yīng)性強、柔軟性好等的優(yōu)勢，將其用于下一代智能探測裝置，可以使武器裝備擁有更加感應(yīng)靈敏的“器官”和“皮膚”，優(yōu)化并升級作戰(zhàn)性能。

此外，數(shù)字超材料還在智能穿戴、偵查、高性能全光計算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為促進武器裝備和部隊訓(xùn)練的轉(zhuǎn)型升級提供技術(shù)支撐。（作者：王握文、朱晰然、毛元昊 來源：國防科技大學(xué)）