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隱身的希望！超材料多領(lǐng)域的顛覆性效應(yīng)與發(fā)展挑戰(zhàn)
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-11-26 14:34:39
在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，超材料已然成為備受矚目的前沿研究領(lǐng)域。它以獨(dú)特的人工微結(jié)構(gòu)在亞波長尺度內(nèi)精確調(diào)控物理場，展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)天然材料的奇異特性，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化。從起源到蓬勃發(fā)展，超材料在多領(lǐng)域應(yīng)用中不斷彰顯其顛覆性效應(yīng)，不僅在我國得到高度重視且成果豐碩，同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇，其未來更是有著廣闊的前景值得我們深入探索。



一、超材料概述



超材料（Metamaterial）是一類通過人工微結(jié)構(gòu)在亞波長尺度內(nèi)精確調(diào)控物理場的復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)陣列，它是近年來由科學(xué)界興起、被工程界廣為關(guān)注的全新材料構(gòu)建范式。其不僅在宏觀上展現(xiàn)出超越傳統(tǒng)天然材料的奇異特性，還可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。說它是“材料”，是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)組成材料是現(xiàn)實(shí)存在的；說它不是“材料”，是因?yàn)槠浣柚⒔Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了目前自然界現(xiàn)有材料所不具備的物理特性，像負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)等超常物理特性，這些特性主要取決于超材料單元結(jié)構(gòu)的圖案形狀、尺寸、排列方式以及介質(zhì)層的電磁參數(shù)等因素。



早在 20 世紀(jì) 60 年代，蘇聯(lián)科學(xué)家 V.G. Veselago 就設(shè)想了一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)的左手材料，并利用理論預(yù)測了該材料特有的負(fù)折射、逆多普勒效應(yīng)和反向切連科夫輻射等新奇電磁現(xiàn)象，不過當(dāng)時(shí)受限于無法合成這種特異材料，相關(guān)研究陷入沉寂。直到 20 世紀(jì) 90 年代后期，英國帝國理工學(xué)院的 John Pendry 爵士提出用周期排列的細(xì)金屬線和開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在微波段分別實(shí)現(xiàn)等效負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的新思想，這為后續(xù)超材料的實(shí)質(zhì)性發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2000 年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的 Rodger Walser 教授在美國物理學(xué)會(huì)春季年會(huì)上正式提出超材料（Metamaterial）的概念，即一種通過人工構(gòu)造周期結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電磁諧振激發(fā)的、非天然存在的宏觀三維復(fù)合材料，隨后其理念被推廣至聲學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)等其他學(xué)科，用以實(shí)現(xiàn)更多反常物理特性。



二、超材料的多領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展



電磁超材料：



電磁超材料（包括微波、毫米波、太赫茲、紅外及光學(xué)超材料）是研究者最先關(guān)注、影響最為廣泛的超材料分支，甚至在較長一段時(shí)間內(nèi)超材料一詞專指人工電磁媒質(zhì)。自 2001 年首次在實(shí)驗(yàn)室制備出具有負(fù)折射特性的微波超材料以來，研究者不僅探索了諸多顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的電磁新理論、新方法，而且創(chuàng)造了諸多前所未有的新奇應(yīng)用，豐富了電磁器件及系統(tǒng)的構(gòu)建范式。



例如，變換光學(xué)理念的提出為靈活構(gòu)建具有新型電磁功能的超材料提供了理論指導(dǎo)，基于此先后研制出了“二維隱身地毯”“三維地面隱身衣”以及在實(shí)驗(yàn)室模擬出了光學(xué)黑洞等成果，極大地拓展了超材料的應(yīng)用邊界。人工表面等離激元作為電磁超材料對表面導(dǎo)行電磁模式有效操控的典型成果，有著低損耗、色散可調(diào)控等優(yōu)勢，后續(xù)又發(fā)展出了人工局域化表面等離激元模式以及超薄人工表面等離激元結(jié)構(gòu)等，為微波技術(shù)的革新提供了新途徑。



超表面概念的出現(xiàn)也是電磁超材料領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)，它可看作超材料的二維版本，具有低剖面、低損耗、易加工的優(yōu)勢，催生出了諸如編碼超表面、信息超表面等原創(chuàng)概念以及波束偏折調(diào)控、新型天線設(shè)計(jì)、電磁隱身和偽裝等新奇應(yīng)用。此外，信息超材料的提出更是顛覆了傳統(tǒng)電磁超材料通過模擬化的材料參數(shù)進(jìn)行表征的體系，允許通過控制不同的編碼序列來實(shí)時(shí)大范圍地調(diào)控電磁波行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超材料功能的現(xiàn)場可編程，推動(dòng)了全息成像、微波成像和無線通信系統(tǒng)等的構(gòu)建。



我國在電磁超材料領(lǐng)域研究成果頗豐，處于全局并跑、局部領(lǐng)跑的地位，涌現(xiàn)出了眾多具有國際影響力的科研團(tuán)隊(duì)。比如在電磁超材料等效媒質(zhì)理論的構(gòu)建、左手材料的機(jī)理研究和應(yīng)用創(chuàng)新、變換光學(xué)的原理研究與應(yīng)用發(fā)掘、人工表面等離激元超材料、光學(xué)超材料的性能發(fā)掘與應(yīng)用研究以及電磁超表面的特性探究與器件研發(fā)應(yīng)用等方面，都有不同團(tuán)隊(duì)開展深入且系統(tǒng)的工作，為我國電磁超材料的理論與應(yīng)用體系構(gòu)建貢獻(xiàn)了力量。



聲學(xué)超材料：



由于電磁波和聲波具有共同或相似的波參數(shù)概念且均滿足波動(dòng)方程，研究者便將電磁超材料的設(shè)計(jì)思想移植到聲學(xué)領(lǐng)域，誕生了聲學(xué)超材料這一全新概念。它是由亞波長人工結(jié)構(gòu)經(jīng)過特定設(shè)計(jì)而構(gòu)建的新型復(fù)合聲學(xué)材料，與傳統(tǒng)聲學(xué)材料相比，可通過改變結(jié)構(gòu)構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)對聲波的靈活控制，并由此產(chǎn)生了一系列諸如操縱非對稱聲傳輸、柱面到平面波轉(zhuǎn)換、異常折射或反射、聲學(xué)自彎曲、非衍射貝塞爾光束、聲學(xué)聚焦和聲學(xué)隱形等新奇物理現(xiàn)象及應(yīng)用成果。



例如，在聲學(xué)隱身方面，科學(xué)家們通過不同方法設(shè)計(jì)出了三維聲學(xué)隱身斗篷、二維的圓柱形聲學(xué)斗篷以及近乎完美的三維、寬頻帶、全方位地毯式聲學(xué)隱身斗篷等；在聲場傳輸模式調(diào)控上，利用聲學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)了定向控制反射聲波、聲波漫反射、聲波傳輸帶隙調(diào)控以及水 - 空氣界面聲波的高效傳輸?shù)龋辉诼晥龈兄c成像研究中，也實(shí)現(xiàn)了聲聚焦、聲色散棱鏡以及聲學(xué)全息成像等功能。



我國在聲學(xué)超材料領(lǐng)域研究進(jìn)展迅速，正處于由跟跑到并跑的地位轉(zhuǎn)變期，有香港科技大學(xué)沈平教授團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)陳延峰教授團(tuán)隊(duì)等一批優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)，在聲學(xué)超材料的特性發(fā)掘以及基于其特性的器件研發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新方面都開展了大量工作，在吸聲降噪、聲場調(diào)控、聲學(xué)聚焦、水聲通信等諸多領(lǐng)域取得了重要突破。



力學(xué)超材料：



力學(xué)超材料亦稱機(jī)械超材料，由聲學(xué)超材料衍生而來，其新奇的力學(xué)特性源于人工單元排列的幾何構(gòu)型，通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局可實(shí)現(xiàn)如超剛性、拉伸性、負(fù)熱膨脹和負(fù)壓縮性等前所未有的力學(xué)性能。盡管力學(xué)超材料的研究規(guī)模相對電磁超材料和聲學(xué)超材料較小，但也誕生了一些有代表性的創(chuàng)新應(yīng)用成果。像美國弗吉尼亞理工大學(xué) Zheng 教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的金屬基質(zhì)力學(xué)超材料，兼顧高強(qiáng)度和超低密度的特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用潛力；還有北卡羅來納州立大學(xué) Yin 教授與耶魯大學(xué) Zhang 教授團(tuán)隊(duì)提出的 3D 剪紙超材料，具備功能可重構(gòu)的獨(dú)特性能。



我國在力學(xué)超材料領(lǐng)域同樣深入開展研究，在國際上基本處于并跑地位，有北京理工大學(xué)方岱寧院士團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)陳常青教授團(tuán)隊(duì)等一批優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，在理論建模與特性研究方面做出了原創(chuàng)性貢獻(xiàn)，在應(yīng)用創(chuàng)新方面也將超材料的特性優(yōu)勢應(yīng)用于力學(xué)材料構(gòu)建，在抗沖減震、增材制備、力學(xué)隱身、結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化等多個(gè)領(lǐng)域開展深入研究，為我國力學(xué)體系發(fā)展奠定基礎(chǔ)。



熱學(xué)超材料：



熱學(xué)超材料與聲和光的波動(dòng)行為不同，熱傳導(dǎo)滿足的是擴(kuò)散方程，其研究起步相對較晚。借鑒電磁超材料的設(shè)計(jì)思想，熱學(xué)超材料通過人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)按需分布，進(jìn)而推動(dòng)新奇熱學(xué)現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)和熱學(xué)器件的研發(fā)。



例如，新加坡國立大學(xué)李保文和仇成偉教授團(tuán)隊(duì)提出了熱二極管的理論模型，還有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在熱學(xué)隱身方面做了諸多工作，從理論提出到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了不同形式的熱隱身斗篷以及具有熱幻象或熱偽裝功能的隱身斗篷等；在熱流傳輸方面，實(shí)現(xiàn)了熱流聚焦、均勻加熱、熱收集等功能，還提出了熱二極管、熱三極管、熱邏輯門和熱存儲(chǔ)器等多種熱信息器件模型。



我國在熱學(xué)超材料領(lǐng)域起步較晚，正處于從跟跑到并跑的地位提升關(guān)鍵期，復(fù)旦大學(xué)黃吉平教授團(tuán)隊(duì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)李垚教授團(tuán)隊(duì)等一批團(tuán)隊(duì)在熱學(xué)超材料的原理探究與性能發(fā)掘以及應(yīng)用開發(fā)方面開展工作，為我國熱學(xué)超材料領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。



三、超材料在不同層面的地位和作用



科學(xué)研究層面：



超材料技術(shù)的誕生顛覆了物理學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)知，改變了材料學(xué)的構(gòu)建方式，在科學(xué)共同體中產(chǎn)生了巨大影響，多次被《科學(xué)》等權(quán)威雜志評為“全球十大科技突破”之一。例如，負(fù)折射率左手材料的相關(guān)研究入選《科學(xué)》雜志評選的“2003 年全球十大科技突破”；隱形斗篷相關(guān)工作入選“2006 年全球十大科技突破”；光學(xué)無色差超透鏡工作入選“2016 年全球十大科技突破”等，足見其在科學(xué)探索領(lǐng)域的重要地位。



應(yīng)用研究層面：



超材料極大地改變了材料器件的設(shè)計(jì)模式，有望突破傳統(tǒng)信息技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域的非對稱優(yōu)勢，引起了各國廣泛關(guān)注。



民生產(chǎn)業(yè)層面：



以信息超材料為代表的新一代超材料技術(shù)演進(jìn)有助于促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，信息超材料被認(rèn)為是未來 6G 移動(dòng)通信的重要使能技術(shù)之一，可突破現(xiàn)有通信技術(shù)的諸多桎梏，為提供更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)奠定基礎(chǔ)。此外，超材料技術(shù)還將廣泛應(yīng)用于醫(yī)療檢測、遙感遙測、傳感成像和人工智能等諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，有望促進(jìn)各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迭代升級，國外多家民用領(lǐng)域商業(yè)巨頭也成立聯(lián)合研究基金支持其研發(fā)探索。



四、我國超材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與支持



我國雖然在超材料領(lǐng)域起步略晚，但后來居上，涌現(xiàn)出了一批具有行業(yè)影響力的超材料研究團(tuán)隊(duì)，例如南京大學(xué)祝世寧院士團(tuán)隊(duì)、北京大學(xué)龔旗煌院士團(tuán)隊(duì)等，誕生了一系列有代表性意義的科研成果，涵蓋了光學(xué)超材料、全介質(zhì)超材料、太赫茲超表面等多個(gè)方面，為我國超材料技術(shù)趕超國際前沿提供了原始驅(qū)動(dòng)力。



我國政府對超材料技術(shù)予以了高度的關(guān)注，在 2016 年 3 月，“十三五”規(guī)劃綱要明確提出，需要大力發(fā)展以超材料為代表的新型功能材料，這標(biāo)志著推動(dòng)超材料領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。并且，“863 計(jì)劃”“973 計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、“變革性技術(shù)”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等重大科學(xué)研究項(xiàng)目都給予了大力支持，培養(yǎng)了大批科研人才，促進(jìn)了諸多創(chuàng)新性研究成果的誕生，覆蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，也為解決多項(xiàng)“卡脖子”問題提供了可行途徑。



五、超材料的未來發(fā)展方向與挑戰(zhàn)



發(fā)展超材料的集成化技術(shù)：



目前超材料研究往往側(cè)重于單一物理性能的突破，對其他物理性能缺乏綜合考量，導(dǎo)致難以應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)平臺(tái)。要突破這一障礙就需要發(fā)展超材料集成技術(shù)，包括關(guān)注超材料本身多種物理功能兼容的內(nèi)在集成技術(shù)以及與系統(tǒng)其他功能模塊高度配合的外部集成技術(shù)。



在內(nèi)在集成技術(shù)方面，理論上要著力發(fā)展多物理場聯(lián)合調(diào)控的理論方法，研究不同物理場激勵(lì)下超材料響應(yīng)的演變規(guī)律以及多條件約束下的綜合性能優(yōu)化方法；技術(shù)上著重發(fā)展結(jié)構(gòu)與材料一體化設(shè)計(jì)方案，探索與其他高性能基礎(chǔ)材料的有機(jī)融合方式以及特殊構(gòu)型條件下的高效加工方法。外部集成技術(shù)則在理論上需全力發(fā)展嶄新的超材料系統(tǒng)觀，研究超材料功能參數(shù)的整體系統(tǒng)效應(yīng)以及超材料模塊與其他系統(tǒng)模塊間相互作用的規(guī)律；技術(shù)上聚力發(fā)展超材料與系統(tǒng)平臺(tái)的集成技術(shù)方案，探索適應(yīng)平臺(tái)的物理嵌合方法及信息融合方法。



發(fā)展信息化、智能化超材料：



信息超材料雖構(gòu)建了數(shù)字信息與物理場操控之間的有效映射，但現(xiàn)有研究在信息感知與信息處理方面涉及較少，尚未形成全信息流程的閉環(huán)，對傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)的顛覆性效用未完全發(fā)揮。未來需進(jìn)一步發(fā)展認(rèn)知超材料和智能超材料。



實(shí)現(xiàn)認(rèn)知超材料要在理論層面深度挖掘融合物理場操控與數(shù)字信息處理的全新信息理論，技術(shù)層面有效集成感知和處理模塊，打通信息超材料的全信息鏈能力，這有望突破現(xiàn)有信息理論限制，創(chuàng)造全新的信息系統(tǒng)構(gòu)建范式。而實(shí)現(xiàn)智能超材料則要在理論層面突破現(xiàn)有人工智能理論局限，開發(fā)融合底層物理與上層算法的物理智能理論，技術(shù)層面探求多層信息超表面交互技術(shù)，構(gòu)建多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)物理實(shí)體，其有可能成為未來“人工腦”的使能技術(shù)。



工作頻段和方向控制及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展：



從工作頻段和方向控制來看，目前超材料的頻段還只能達(dá)到紅外層次，多數(shù)負(fù)折射率材料僅能在某些角度實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象，要實(shí)現(xiàn)更好隱身等功能，需覆蓋整個(gè)可見光波段并實(shí)現(xiàn)各向同性特性，這是未來重要的研究課題。



同時(shí)，超材料技術(shù)目前處于實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品中試階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有差距，需要研究大規(guī)模制造大體積超材料的方法。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室僅掌握平面超材料制造工藝，立體超材料以及大面積表面工藝都有待突破，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造是超材料廣泛應(yīng)用的重要前提。



此外，新型超材料及其功能的設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化及相關(guān)模擬仿真方法，還有不同超材料之間相互作用的研究等也都是未來超材料發(fā)展需要關(guān)注的方向，這些研究能推動(dòng)相關(guān)新理論、技術(shù)、方法的發(fā)展，超材料吸波體的研究已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。



總之，超材料作為近幾十年來材料科學(xué)、電子科學(xué)以及信息科學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)，有著顛覆性的結(jié)構(gòu)功能一體化特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，我國在該領(lǐng)域已取得顯著成績，未來通過不斷攻克難題、持續(xù)創(chuàng)新，有望借助超材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的彎道超車，推動(dòng)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，達(dá)成《中國制造 2035》的宏偉目標(biāo)。



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