基于新型人工電磁材料的電磁黑洞

“你只看到我的技術(shù)突破，卻沒看到我的神秘莫測(cè);你有你的折射規(guī)則，我有我的介質(zhì)選擇;你驚詫于電磁黑洞光子晶體，我告訴你慢波結(jié)構(gòu)和隱身衣;你曾忽視Veselago的疑猜，我決定材料科學(xué)的將來;你可以輕視我們的年輕，我們會(huì)證明這是誰的時(shí)代。創(chuàng)新，是注定孤獨(dú)的旅行，路上少不了汗水和障礙。但，那又怎樣?哪怕經(jīng)費(fèi)高昂，也要直指希望。我是超材料，我為自己代言。”

“年度十大突破”“年度十大進(jìn)展”……超材料頻頻亮相于各個(gè)科技頒獎(jiǎng)禮。雖被提出與發(fā)展是在近幾十年，但其必將憑借神奇的能力，帶我們走向深遠(yuǎn)的未來。

什么是超材料?

中學(xué)時(shí)老師告訴我們，當(dāng)一束光從空氣斜射入水中，入射光與折射光應(yīng)該在法線兩側(cè)。那么，是否存在這樣一種介質(zhì)，當(dāng)光入射其中，入射光與折射光位居法線同側(cè)?

1968年，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)發(fā)現(xiàn)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)，與常規(guī)材料不同，從而在理論上預(yù)測(cè)了上述“反常”現(xiàn)象。超材料的概念便源于此。

Metamaterial，其中拉丁語詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義，因此一般文獻(xiàn)中給出超材料的定義是“具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。”但實(shí)際上，到目前超材料還沒有統(tǒng)一定義。那超材料到底是什么?我們從其特征就能做出判斷：

具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料;具有常規(guī)(或傳統(tǒng))材料不具備的超常物理性質(zhì);超常物理性質(zhì)主要由新奇的人工結(jié)構(gòu)決定;新奇的人工結(jié)構(gòu)包括單元結(jié)構(gòu)(人工原子和人工分子)和單元結(jié)構(gòu)集合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次。

隱身衣是近年來出鏡率最高的超材料應(yīng)用，電磁超材料是迄今為止超材料技術(shù)研究最為集中的方向，典型的超材料還包括左手材料、光子晶體和非正定介質(zhì)等，聽起來都非常“科幻”。

由于上世紀(jì)60年代沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加之時(shí)值功能材料處于發(fā)展初期，立足于原子、分子層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控的傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)思想，在新型功能材料研發(fā)中仍有強(qiáng)大的生命力，因此，人們對(duì)菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)未予以高度重視。

隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對(duì)稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設(shè)計(jì)新思路，成為新材料研發(fā)的重要任務(wù)。菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)重新回到人們視線。

超材料是材料設(shè)計(jì)思想上的重大創(chuàng)新，對(duì)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)域可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，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。

從負(fù)折射率到電磁黑洞

2001年，美國加州大學(xué)圣迭戈分校的史密斯教授等人在實(shí)驗(yàn)室制造出世界上第一個(gè)負(fù)折射率的超材料樣品，并實(shí)驗(yàn)證明了負(fù)折射現(xiàn)象與負(fù)折射率。翌年，美國加州大學(xué)Itoh教授和加拿大多倫多大學(xué)Eleftheriades教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組幾乎同時(shí)提出一種基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)超材料的新方法。

2002年底，麻省理工學(xué)院的孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，并稱之為“導(dǎo)向介質(zhì)”，他預(yù)言了這種人工材料在高指向性的天線、聚焦微波波束、“完美透鏡”、電磁波隱身等方面的應(yīng)用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大學(xué)的科研小組設(shè)計(jì)、制造了著名的“隱身大衣”，并成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證明。2009年又出現(xiàn)了寬頻帶的隱身衣。2010年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電磁黑洞。

光子晶體、左手材料、隱身衣等超材料研究成果被美國《科學(xué)》雜志先后于2000年、2003年、2006年選為年度10項(xiàng)重大進(jìn)展之一。《MaterialsToday》雜志在2008年將超材料評(píng)為材料科學(xué)50年中的10項(xiàng)重要突破之一。2010年，《科學(xué)》雜志又將超材料列入本世紀(jì)前十年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一。

目前，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。歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域最頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額的經(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，支持了至少有兩個(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。

重大創(chuàng)新將產(chǎn)生重大效益

近10年來，超材料研究之所以能引起全世界的高度關(guān)注，源自于超材料所體現(xiàn)的材料設(shè)計(jì)思想的重大創(chuàng)新，以及這一創(chuàng)新將產(chǎn)生的重大效益。

首先，通過材料結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生具有重大軍用、民用價(jià)值的新技術(shù)、新材料，促進(jìn)甚至引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展;然后利用超材料設(shè)計(jì)思想，提升傳統(tǒng)材料性能，突破稀缺資源瓶頸，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整。

電磁超材料實(shí)現(xiàn)，使我們繼利用半導(dǎo)體自由調(diào)控電子傳輸之后，首次具備了自由調(diào)控電磁波的能力。這對(duì)未來的新一代通信、光電子/微電子、先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)以及隱身、探測(cè)、核磁、強(qiáng)磁場(chǎng)、太陽能及微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

隱身衣是一種以開口諧振環(huán)為單元結(jié)構(gòu)、非均勻方式排列成圓環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料，其應(yīng)用大家不言自明。

“電磁黑洞”是一種能夠全向捕捉電磁波的電磁超材料，能引導(dǎo)電磁波在殼層內(nèi)螺旋式地行進(jìn)，直至被有耗內(nèi)核完全吸收，使基于引力場(chǎng)的黑洞很難在實(shí)驗(yàn)室里模擬和驗(yàn)證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅將為太陽能利用技術(shù)增加新的途徑，產(chǎn)生全新的光熱太陽能電池，還能應(yīng)用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號(hào)探測(cè)能力，因而在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、衛(wèi)星等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

慢波結(jié)構(gòu)是一種能使電磁波減速甚至停止的電磁超材料，不僅可應(yīng)用于太陽能發(fā)電、高分辨紅外熱成像技術(shù)，還可應(yīng)用于光緩存和深亞波長光波導(dǎo)，極大增強(qiáng)非線性效應(yīng)，促進(jìn)光電技術(shù)的發(fā)展。

超材料透鏡是一種可實(shí)現(xiàn)高定向性輻射的電磁超材料，可用于制造先進(jìn)的透鏡天線、新型龍伯透鏡、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等。

此外，如將超材料設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于常規(guī)材料，可在顯著提高材料綜合性能的同時(shí)，大幅度減少稀缺元素

用量，為提升傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)提供了新的技術(shù)途徑。例如，常規(guī)軟磁與硬磁材料按特定的空間排布方式復(fù)合、普通碳鋼與高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空間排布方式復(fù)合，可在不使用釹、鉻、鎳等稀缺金屬的情況下，使磁性材料的磁能級(jí)成倍提高，而耐磨鋼的耐磨性與強(qiáng)韌性矛盾得到很好解決。[!--empirenews.page--]

我國超材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國政府對(duì)超材料技術(shù)予以了高度關(guān)注，分別在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等科技計(jì)劃中予以立項(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，已取得原創(chuàng)性成果。

浙江大學(xué)在光波和超低頻超材料領(lǐng)域取得了一系列有影響的成果，發(fā)展出了基于慢波來設(shè)計(jì)超薄、寬吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隱身、磁共振成像和靜磁場(chǎng)增強(qiáng)方面的應(yīng)用。

東南大學(xué)研究了均勻和非均勻超材料對(duì)電磁波的調(diào)控作用，提出了電磁黑洞和新型超材料隱身器件，發(fā)展出了雷達(dá)幻覺器件、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨率成像透鏡、新型天線罩、極化轉(zhuǎn)換器等新型超材料器件。

清華大學(xué)研究介質(zhì)基和本征型超材料，提出了通過超材料與自然材料融合構(gòu)造新型功能材料思想，發(fā)展出了基于鐵磁共振、極性晶格共振、稀土離子電磁偶極躍遷以及Mie諧振的超常電磁介質(zhì)超材料。

深圳光啟研究院則在國際上率先推進(jìn)了超材料產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)出超材料平板式衛(wèi)星天線，在22個(gè)省市進(jìn)行了測(cè)試，并在北京、天津等地得到了實(shí)際應(yīng)用。(稿件素材由西苑沙龍會(huì)議提供)

-專家視點(diǎn)

周少雄中國鋼研科技集團(tuán)有限公司副總工程師：

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)、并與我國國情相適應(yīng)的超材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。

劉若鵬深圳光啟高等理工研究院院長、創(chuàng)始人：工業(yè)級(jí)超材料技術(shù)通過對(duì)電磁波的控制實(shí)現(xiàn)所需求的可工程化、可量產(chǎn)化，進(jìn)而形成一個(gè)包含設(shè)計(jì)、工藝、封裝和測(cè)試在內(nèi)的完整工業(yè)體系。

工業(yè)級(jí)超材料技術(shù)在不同的應(yīng)用中對(duì)原材料有不同的要求：如果對(duì)于強(qiáng)度有特別高的要求，通常會(huì)采用陶瓷基的材料;如果滿足強(qiáng)度的同時(shí)希望密度盡可能小，通常會(huì)采用高性能的樹脂材料。

何賽靈浙江大學(xué)光及電磁波研究中心特聘教授、浙大光及電磁波研究中心創(chuàng)辦人：隨著超材料研究的進(jìn)展，一些更激動(dòng)人心、更具應(yīng)用前景的新物理現(xiàn)象也逐漸出現(xiàn)在人們面前，如慢波、紫外磁響應(yīng)、超寬帶電磁吸收、靜磁場(chǎng)增強(qiáng)、MRI深處成像、熱場(chǎng)調(diào)控等。這些新的發(fā)現(xiàn)可革命性地突破現(xiàn)有原理和技術(shù)限制，開拓出嶄新的應(yīng)用前景。

崔鐵軍東南大學(xué)無線電工程系教授、教育部“長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授：超材料并不是萬能的，不能期待超材料能夠解決所有問題，應(yīng)該在一些即具有創(chuàng)新性、又具有可行性、且對(duì)我國的國防和國民經(jīng)濟(jì)能產(chǎn)生重大影響的重點(diǎn)方向予以支持。

周濟(jì)清華大學(xué)材料學(xué)院教授，教育部“長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授：超材料與材料的融合作為新材料的重要生長點(diǎn)，既具有重要的理論價(jià)值，又具有廣闊的應(yīng)用前景，是一個(gè)值得重視的新方向。