性能定制化的超材料

1.超材料超材料（Metamaterial）概念來源于1968年前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格（Veselago）觀察到的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負值物質(zhì)的電磁學(xué)特性，與常規(guī)材料不同的現(xiàn)象和理論預(yù)測。只是由于沒有實驗驗證，加之當(dāng)時處于功能材料發(fā)展初期，人們對菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。

后來，“超材料”一詞由美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校RodgerM.Walser教授提出，用來描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

盡管各種科學(xué)文獻給出的定義也各不相同，但一般都認為“超材料”是以人工結(jié)構(gòu)作為基本功能單元、能夠?qū)崿F(xiàn)自然材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工材料。

超材料是世紀之交誕生的一個新的科學(xué)概念。基于這一概念，在過去的十幾年中發(fā)展出了一系列具有奇異特性的新型人工材料系統(tǒng)，可望在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性技術(shù)。

超材料技術(shù)被美國國防部列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究技術(shù)”之一，并先后被評選為材料科學(xué)領(lǐng)域“50年中的10項重大成果”之一和21世紀前10年10項重大突破之一。

近年來，典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等已在光學(xué)、通信、國防等應(yīng)用領(lǐng)域漸露頭角，而為數(shù)眾多的電磁超材料、力學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、熱學(xué)超材料以及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料相繼出現(xiàn)，形成了新材料的重要生長點。2.原理根據(jù)廣義相對論，時間和空間都是可以“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1mm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)計制造出各種超材料，實現(xiàn)了讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。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，根據(jù)電磁波的具體應(yīng)用需求，制造出具有相應(yīng)功能的材料。超材料有三個重要特征：具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料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）超材料性質(zhì)往往決定于其中的人工結(jié)構(gòu)（不取決于構(gòu)成材料的本征性質(zhì)）3.科研國賽超材料的重大科學(xué)價值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出革命性的應(yīng)用前景得到了世界各國政府、科技界、產(chǎn)業(yè)界，以及國防部門的密切關(guān)注。美國國防部啟動了關(guān)于超材料的多項研究計劃，美國大型的半導(dǎo)體公司如英特爾、美國超威半導(dǎo)體（AMD）和國際商業(yè)機器公司（IBM）等也成立了聯(lián)合基金資助相關(guān)研究。歐盟組織了50多位頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項目，每個項目的研究經(jīng)費約為30億日元。相比于不少國家相對分散的發(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計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。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折射等基礎(chǔ)研究方面，我國企業(yè)取得了多項原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機。超材料的研究和工程化應(yīng)用在近年來得到了迅速發(fā)展。在電磁超材料方面，科學(xué)家對各種電磁諧振結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，發(fā)展出了多種基于金屬線和SRR環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工原子，并設(shè)計研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時，將微納加工技術(shù)引入到了超材料的制備，發(fā)展出了可在光