那么問題來了——究竟什么是超材料？
) m) g# l: h& b$ I& i3 a; x B
# s+ I" b& L/ `0 S 超材料，英文稱為Metamaterial，其中拉丁語詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義。一般文獻中給出的超材料定義是“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�！�
3 C8 Y3 K8 {8 F- f6 O8 m# z3 M
# T! g) n. v6 K% f. u2 \; \ 首先讓我們從中學物理課上老師都會演示的一個現(xiàn)象說起：當一束光從空氣斜射入水中，會產(chǎn)生入射光和折射光，它們居于法線的兩側(cè)。因為這種反射現(xiàn)象，我們能夠看到大自然中的許多物體。那么，是否存在這樣一種介質(zhì)，當光入射其表面時，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢？
- ^1 }8 u3 d- B/ f( x
- @; p' y T" W2 p) | 其實早在1968年時，前蘇聯(lián)理論物理學家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個疑問，并在理論上預(yù)測了上述“反常”現(xiàn)象。只是由于沒有實驗驗證，加之當時處于功能材料發(fā)展初期，人們對菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。
, I/ m, T$ h/ d, v( [) h0 f- w6 G5 Y* ]
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。
3 \ @9 i3 x6 ?/ ^8 Y) v' f1 N7 @3 w7 J8 b, a1 g
如今，超材料研究正在發(fā)酵。美國《科學》雜志將其列入本世紀前10年的10項重要科學進展之一，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)、微細加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革。
6 m( T4 n4 r0 C$ G2 R4 j+ R1 E& I6 ?
- 群雄競逐 你追我趕
: F4 Q! z) b2 _8 `+ T7 v7 K+ n) b2 }3 n
國際競爭日益激烈3 p0 Z- D+ N. P: d9 f
( A2 T) u* B' X# Y2 h& f" `6 L 這場變革已經(jīng)到來。發(fā)達國家的政府、學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對超材料技術(shù)的研發(fā)給予高度重視，制定了相關(guān)計劃，投入了大量人力和物力。- z% s2 w+ D3 _# x7 e$ ~
& \4 R/ j" A- c) {
例如，美國國防部專門啟動了關(guān)于超材料的研究計劃，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，每個項目約為30億日元。
/ \1 y& z, r( W/ j, O8 p8 D0 g- y
+ _; j: `/ b' a; ^) Y0 ~ y; U 在各國科學家的實驗室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。2 O2 n' L0 @! K. E9 R9 o, p$ j
$ T! n9 c4 a1 m4 T r B+ J! M
美國的科學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”，如航天飛機或者噴氣式發(fā)動機的隔熱設(shè)備。
; r4 J: o+ c2 u& B& V1 p. W6 }" ?6 n* T' a
, e' H# y+ x) Y# X 在德國，科學家已經(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研究計劃署在內(nèi)的軍方機構(gòu)，尋求的正是這種隱藏技術(shù)，以便讓飛機在軍事雷達探測范圍內(nèi)隱身。
( e8 G% A1 |" w' y1 i$ t* Z! Y5 m3 }6 \" M* o, K1 z$ _
法國科學家則發(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)，以達到減災(zāi)的目的。3 w r T7 Y0 E; F' C, v0 C
/ r: }4 o' d* |) ]8 h. w 荷蘭的的科學家則制造出在力學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，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階段進行快速轉(zhuǎn)變。借助這種材料，人們不久或?qū)⒖梢源┥夏芡ㄟ^感應(yīng)地面軟硬度而自動調(diào)節(jié)的鞋子。
2 X. ^, y: f% [* n( ]" v3 g2 j+ v& P
目前，基于這些實驗成果展開的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線、無人機雷達、聲學隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國競爭的焦點。
4 R! L; h/ c5 }$ d: v8 B
, O) z% w: P4 j合力攻關(guān) 注重應(yīng)用
/ {* C) l" B# P* |, r) [% J( P5 I0 }' W0 t7 S) d6 \) E- Y8 [
我國領(lǐng)跑有優(yōu)勢) P+ Z G4 l/ a5 N$ Z0 D6 B
+ Q" d# E( g4 z3 t5 a
相比于不少國家相對分散的發(fā)展模式，我國在超材料領(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。
/ r- Y ?/ ?3 [6 Q5 N; e3 y
* o6 u9 e6 Z3 Z# E: B1 ~ 曾在美國留學并在《科學》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位留學生團隊回國創(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)申請超過2800件專利，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?6%，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70%，可實現(xiàn)高達2微米的工藝精度。他們還設(shè)計了超材料生產(chǎn)標準化流程。) i% d: v" K% ~1 F G6 q7 h; `- O& a1 ~/ @
4 n, c7 S5 m' h* B 以其設(shè)計的電磁超材料天線為例，運用一塊可折疊為筆記本大小、印著“江南水鄉(xiāng)風景畫”的電路板，飛機、火車、輪船、汽車就能在移動網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。不管衛(wèi)星在天空中的哪個地方，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方向盯著一顆衛(wèi)星。
" n9 O* j5 l: a' w C3 `" ~2 K6 D) I8 M3 J% L; F
美國類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計劃今年才開始，而光啟早在3年前便在我國22個省份進行了安裝試用。而這，僅僅是中美之間近年來在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競爭之一。
7 a: n% ^& |/ q* c1 A6 I, O% \- P9 o
另一方面，我國在超材料的微結(jié)構(gòu)加工方面也取得了長足進步。去年，中南大學教授黃小忠的團隊利用3D打印機，通過對材料進行編碼，獲得了一塊邊長18厘米、包括10萬個物理單元的具有隱身性能的超材料，這樣可以實現(xiàn)我國未來太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。3 K4 h6 _2 H5 U+ _) ?' c! C4 T' X
2 ^2 j5 i: E% P5 D- z7 q b 此外，為了打破歐美對超材料技術(shù)標準的壟斷，上月，全國電磁超材料技術(shù)及制品標準化技術(shù)委員會審查和報批了國家標準《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)域的國家標準，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標準轉(zhuǎn)化起到重要作用。- N) N. n2 I0 C5 w) h* u
9 s" i' G; g9 _1 h& X( w0 M
有調(diào)研公司預(yù)測，超材料全球市場規(guī)模在2010—2020年間將以高達41%的年復(fù)合增長率發(fā)展�？梢灶A(yù)計，隨著全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，一個可帶動諸如高速列車、新型地面行進裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領(lǐng)域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。+ k9 c2 E7 B/ D& w+ \, q
7 B* l4 v/ N6 j( R3 z) j+ p 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。應(yīng)當說，我們在這方面擁有明顯優(yōu)勢，完全有條件成為這場創(chuàng)新革命的領(lǐng)跑者。
, K) c; [7 ~ L7 ?- u# x. b7 B3 s: t3 D Y0 a4 ^4 U/ e0 g
專家視點——
4 _) L* m2 h( Z) b$ Y- h( L4 [. x9 _7 p s, B: Q# I1 j
“超材料”這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學領(lǐng)域引發(fā)轟動，接著長驅(qū)直入，進入包括熱力學在內(nèi)的多個領(lǐng)域，最近又開始在力學領(lǐng)域掀起狂瀾。
# N) C1 }# z# z
9 x; s& ]9 [3 S, {5 i& Y# |* Q" D0 f ——德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授
. p( e6 r: T3 Q# R" L
3 m' d/ X, L, W. t# ]+ ^ 超材料對航空航天、國防、民用科學技術(shù)的促進表明，新材料將會成為科學研究中一個很重要的切入點和方向，將會對眾多領(lǐng)域帶來沖擊和影響，并產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)，這個意義極為深遠。
; a/ Y. c2 e0 `! o5 o9 \. V+ I" F
3 `2 m; d U4 S2 ?6 b5 j ——中國工程院院士段寶巖
) D" M( ^" j- e8 s! |# W
4 a: ]4 F- }5 N' T4 Y5 L 超材料的設(shè)計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，選擇合理技術(shù)路線，制定符合超材料技術(shù)發(fā)展趨勢、與我國國情相適應(yīng)的超材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。0 z$ s) @) j0 B: f7 u
# w5 |0 I- }' ^: ?) [
——中國鋼研科技集團有限公司副總工程師周少雄（人民日報海外版） |
發(fā)表于 2015-5-19 09:44:28
QQ好友和群
收藏
淘帖
問題專業(yè)，描述清楚
伸手黨/灌水/看不懂
樓主
