超材料是通過在材料關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個(gè)具有重要軍事應(yīng)用價(jià)值和廣泛應(yīng)用前景的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將對(duì)未來武器裝備發(fā)展和作戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響。

    新型材料顛覆傳統(tǒng)理論

    盡管超材料的概念出現(xiàn)在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克托·韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關(guān)系將不再遵循作為經(jīng)典電磁學(xué)基礎(chǔ)的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“負(fù)折射率關(guān)系”。這種物質(zhì)將顛覆光學(xué)世界，使光波看起來如同倒流一般，并且在許多方面表現(xiàn)出有違常理的行為，例如光的負(fù)折射、“逆行光波”、反常多普勒效應(yīng)等。這種設(shè)想在當(dāng)時(shí)一經(jīng)提出，就被科學(xué)界認(rèn)為是“天方夜譚”。

    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)。2000年，首個(gè)關(guān)于負(fù)折射率材料的報(bào)告問世；2001年，美國加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的超材料；2002年，美國麻省理工學(xué)院研究人員從理論上證實(shí)了負(fù)折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范圍內(nèi)取得了多項(xiàng)研究成果，被美國《科學(xué)》雜志評(píng)為當(dāng)年全球十項(xiàng)重大科技進(jìn)展之一。此后，超材料研究在世界范圍內(nèi)取得了多項(xiàng)成果，維克托·韋謝拉戈的眾多預(yù)測都得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    現(xiàn)有的超材料主要包括：負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規(guī)材料相比，超材料主要有3個(gè)特征：

    一是具有新奇人工結(jié)構(gòu)；

    二是具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；

    三是采用逆向設(shè)計(jì)思路，能“按需定制”。

    負(fù)折射率材料具有介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的電磁特性，電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循負(fù)折射率螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象。負(fù)折射率材料的實(shí)現(xiàn)使人類具備了自由調(diào)控電磁波的能力，這對(duì)未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強(qiáng)磁場、太陽能和微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

    光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，是一種介電常數(shù)周期性分布的電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認(rèn)為是未來的半導(dǎo)體，對(duì)光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達(dá)隱身等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。

    部分超材料示例

    “電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導(dǎo)電磁波螺旋式行進(jìn)，直至被黑洞吸收，使基于引力場的黑洞很難在實(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)探測能力。

    頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成。其可對(duì)不同頻段的入射電磁波進(jìn)行有選擇性的發(fā)射或傳輸，已被廣泛應(yīng)用于微波天線和雷達(dá)罩的設(shè)計(jì)中，也可用于反射面天線的負(fù)反射器，以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用 ，提高天線的利用率。

    巨大價(jià)值引發(fā)全球關(guān)注

    超材料研究的重大科學(xué)價(jià)值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出的革命性應(yīng)用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神等機(jī)構(gòu)的強(qiáng)力關(guān)注，現(xiàn)在已是國際上最熱門、最受矚目的前沿高技術(shù)之一。2010年，美國《科學(xué)》雜志將超材料列為21世紀(jì)前10年自然科學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破之一。當(dāng)前，國外的研究領(lǐng)域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、超材料設(shè)計(jì)、超材料加工制造和超材料的應(yīng)用。

    美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，美國國防部專門啟動(dòng)了關(guān)于超材料的研究計(jì)劃；美國空軍科學(xué)研究辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”；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(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，至少支持兩個(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（約合1.5億人民幣），同時(shí)將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

    在多個(gè)項(xiàng)目的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列新進(jìn)展。例如，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室與加利福尼亞大學(xué)合作完成了負(fù)折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學(xué)完成了利用負(fù)折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學(xué)和諾福克州立大學(xué)合作完成了負(fù)折射率材料對(duì)光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學(xué)研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)制造出了全球首個(gè)非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個(gè)方向都會(huì)得到增強(qiáng)；2014年，法國國家科學(xué)研究中心和法國波爾高等化學(xué)物理學(xué)院的研究人員通過結(jié)合物理化學(xué)組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個(gè)三維超材料。

    使用超材料的隱身衣

    在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國家和機(jī)構(gòu)近年來啟動(dòng)了多項(xiàng)研究計(jì)劃。如DARPA實(shí)施的負(fù)折射率材料研究計(jì)劃；美國杜克大學(xué)開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級(jí)和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助計(jì)劃資助，對(duì)超材料技術(shù)進(jìn)行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達(dá)天線、吸波材料、電子對(duì)抗雷達(dá)、通信天線、無人機(jī)載雷達(dá)等。

    神奇功能改變未來作戰(zhàn)

    超材料因其獨(dú)特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。近年來，超材料在隱身、電子對(duì)抗、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。

    隱身是近年來出鏡率最高的超材料應(yīng)用，也是迄今為止超材料技術(shù)研究最為集中的方向，如美國的F-35戰(zhàn)斗機(jī)與DDG1000大型驅(qū)逐艦均應(yīng)用了超材料隱身技術(shù)。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應(yīng)用潛力，在各類飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實(shí)現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術(shù)的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)真正意義上的隱身。

    在電磁隱身方面，2006年，美國杜克大學(xué)與英國帝國學(xué)院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方案由10個(gè)同心圓筒組成，采用矩形開口環(huán)諧振器單元結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)負(fù)折射率材料用于物體的隱身是可行的。2012年，美國東北大學(xué)采用摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了可在33～44吉赫茲電磁波段實(shí)現(xiàn)可調(diào)的負(fù)折射率材料。美國雷神公司開發(fā)了“透波率可控人工復(fù)合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微結(jié)構(gòu)頻率選擇表面，通過控制加載在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)材料透波特性的人工控制，可應(yīng)用于各種先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)和下一代隱身戰(zhàn)機(jī)的智能隱身蒙皮。

    在光學(xué)隱身方面，2012年，加拿大超隱形生物公司發(fā)明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發(fā)生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能 “騙” 過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊(duì)在白天完成突襲行動(dòng)，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機(jī)、艦艇和坦克上應(yīng)用。2014年，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研制出一種可實(shí)現(xiàn)可見光隱身的超材料，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)突破的關(guān)鍵是利用納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制造出一種多層三維超材料。納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實(shí)現(xiàn)隱身。

    在聲隱身方面，2011年，美國杜克大學(xué)卡默爾教授的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種二維聲學(xué)斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測到。2014年3月，杜克大學(xué)制造出世界上首個(gè)三維聲學(xué)斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑ィ环瓷湟膊煌干洌瑢?shí)現(xiàn)對(duì)探測聲波的隱身。三維聲學(xué)斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，能在3千赫茲的聲波下表現(xiàn)出完美的隱身效果，驗(yàn)證了聲學(xué)斗篷應(yīng)用于主動(dòng)聲吶對(duì)抗的可行性。此外，美海軍自主開發(fā)一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術(shù)，制造一種六角形晶胞結(jié)構(gòu)的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波引導(dǎo)，達(dá)到隱身目的。聲隱身超材料技術(shù)的發(fā)展將對(duì)潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，有可能改變未來水下戰(zhàn)場的“游戲”規(guī)則。

    除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員利用機(jī)械超材料制成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術(shù)，可以欺騙人體和探測設(shè)備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設(shè)計(jì)的次微米精度的晶體結(jié)構(gòu)。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點(diǎn)的大小需精確計(jì)算，以滿足所需的機(jī)械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個(gè)突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時(shí)無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術(shù)雖然還在純粹的基礎(chǔ)物理研究階段，但是將會(huì)為近幾年的國防應(yīng)用開辟一條新路。

    天線與天線罩是超材料的另一個(gè)用武之地。國外眾多實(shí)驗(yàn)表明，將超材料應(yīng)用到導(dǎo)彈、雷達(dá)、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強(qiáng)天線的聚焦性和方向性。

    天線方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化GPS天線，通過精確的人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應(yīng)用于對(duì)天線尺寸要求苛刻的飛機(jī)平臺(tái)與個(gè)人便攜式戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航終端。2011年2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一種新型電磁超材料，可用于在喇叭形衛(wèi)星天線上，使產(chǎn)品體積更小，制造成本更低，并能夠顯著提高航天器天線的性能。2014年，英國BAE系統(tǒng)公司開發(fā)出一種可用于無人機(jī)通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線后進(jìn)行聚焦，在實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波聚焦的同時(shí)保留了平面天線的寬帶性能，克服了傳統(tǒng)拋物面天線變?yōu)槠矫嫣炀€所帶來的帶寬損失、低增益等問題，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)天線替換多個(gè)天線，減少天線的數(shù)量。這一技術(shù)突破可能使飛機(jī)、艦艇、衛(wèi)星等天線的設(shè)計(jì)產(chǎn)生劃時(shí)代的變革。

    雷達(dá)天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發(fā)出雷達(dá)罩用超材料智能結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于美軍新一代的E2“鷹眼”預(yù)警機(jī)，大幅提高了其雷達(dá)探測能力。通過采用超材料的特殊設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目提供了解決傳統(tǒng)雷達(dá)罩圖像畸變的問題，同時(shí)這種超材料電磁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，方便后期的改裝和維護(hù)，極大提高了E2“鷹眼”預(yù)警機(jī)的整體性能。

    導(dǎo)彈天線罩方面，美國雷神公司研制了基于超材料的導(dǎo)彈天線罩，可以使穿過導(dǎo)彈天線罩的電磁波不產(chǎn)生有效折射，有效提高導(dǎo)彈打擊精度。

    用于制作光學(xué)透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應(yīng)用于微量污染物質(zhì)探測、醫(yī)學(xué)診斷成像、單分子探測等領(lǐng)域；高定向性透鏡主要應(yīng)用于透鏡天線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領(lǐng)域；高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡主要應(yīng)用于集成電路的光學(xué)引導(dǎo)原件等領(lǐng)域。2012年，美國密西根大學(xué)完成一種新型超材料透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內(nèi)工作性能良好。

    結(jié) 語

    超材料的重要意義不僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。“一代材料，一代裝備”，創(chuàng)新材料的誕生及發(fā)展必將會(huì)催生出新的武器裝備與作戰(zhàn)樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級(jí)材料”能否成為下一個(gè)新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。

    延伸閱讀

    超材料發(fā)展到何種程度？還能走多遠(yuǎn)？

    超材料主要有三個(gè)特征：

    1. 通常具有新奇人工結(jié)構(gòu)的符合材料

    2. 具有目前所有自然界材料都不具備的性質(zhì)

    3. 超材料的性質(zhì)往往取決于其中的人工結(jié)構(gòu)。

    超材料超常的物理性質(zhì)和可以人工制備這兩大特性已讓它應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的各大領(lǐng)域：汽車、軍事、能源、通信、智能結(jié)構(gòu)等。

    汽車

    現(xiàn)如今汽車產(chǎn)業(yè)正朝著智能化方向飛速發(fā)展，通過在普通的汽車上裝備上先進(jìn)的傳感器（雷達(dá)、攝像）、控制器、執(zhí)行器等裝置，就可以通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端實(shí)現(xiàn)人、車、路的信息交換，使汽車能夠感知外界環(huán)境，自動(dòng)分析汽車行駛的安全及危險(xiǎn)狀態(tài)，安全到達(dá)指定地點(diǎn)，達(dá)到最終可以替代人的目的。在這個(gè)思想的指導(dǎo)下，“智能蒙皮”應(yīng)運(yùn)而生，通過集成多個(gè)種類和數(shù)量的傳感器配合相機(jī)，可以同時(shí)顯示多輛車的速度、距離、角度等信息，有效地監(jiān)控道路車輛狀況。這種超材料技術(shù)可以顯著地改善交通擁堵狀況和減少交通事故的發(fā)生，是超材料成功的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之一。

    軍事

    許多國家在軍事方面投入巨大的人力物力財(cái)力，積極研發(fā)新技術(shù)應(yīng)用于軍事武器，研發(fā)出可以隱身的超材料運(yùn)用于戰(zhàn)斗機(jī)的制造，美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)、美國F-35“閃電Ⅱ”、俄羅斯PAKFAT-50戰(zhàn)斗機(jī)、日本ATD-X“心神”戰(zhàn)斗機(jī)等就是超材料運(yùn)用于戰(zhàn)斗機(jī)的成功案例，這些戰(zhàn)斗機(jī)早已經(jīng)在戰(zhàn)場上威名遠(yuǎn)揚(yáng)，立下赫赫戰(zhàn)功。另外，機(jī)載的智能蒙皮天線運(yùn)用超材料技術(shù)對(duì)人造“原子”進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，可逆向?qū)崿F(xiàn)材料對(duì)電磁場的任意響應(yīng)。采用超材料智能蒙皮技術(shù)，能有效地縮減天線的尺寸，實(shí)現(xiàn)寬頻天線的共形設(shè)計(jì)，還可通過采用低成本的輕質(zhì)新型超材料，極大地提高飛機(jī)的雷達(dá)天線、隱身和氣動(dòng)外形性能。

    能源

    “電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導(dǎo)電磁波螺旋式行進(jìn)，直至被黑洞吸收，解決了基于引力場的黑洞很難在實(shí)驗(yàn)室里模擬和驗(yàn)證的難題。通過這個(gè)現(xiàn)象，可以研發(fā)出新的超材料為太陽能利用技術(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)探測能力。

    通信

    電磁超材料最具應(yīng)用前景的就是無線 Wi-fi網(wǎng)絡(luò)，目前光啟已進(jìn)入該領(lǐng)域。

    智能結(jié)構(gòu)

    在這個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用主要有兩類，地面行進(jìn)裝備用智能結(jié)構(gòu)和可穿戴式超材料智能結(jié)構(gòu)。據(jù)調(diào)研公司ABI Research預(yù)測，可穿戴式超材料智能結(jié)構(gòu)細(xì)分領(lǐng)域市場規(guī)模在2010~2020年間將以高達(dá)41%的年復(fù)合增長率發(fā)展， 到2020年該類材料市場規(guī)模將達(dá)到8.77億美元。

    超材料物理原理

    自然界材料由原子電子的規(guī)律排布組成，具有固定的電磁參數(shù)，不可人為改變。

    超材料是一種由材料組成的“材料”。其中，介于宏觀與微觀之間的介觀微結(jié)構(gòu)是超材料的基本組成單元。超材料具有超越自然界材料電磁響應(yīng)極限的特性，包括：

    1.可設(shè)計(jì)電磁參數(shù)

    2.電磁參數(shù)任意可調(diào)

    3.可設(shè)計(jì)的非均勻分布

    4.可設(shè)計(jì)的各向異性響應(yīng)

    超材料技術(shù)是一種材料逆向設(shè)計(jì)技術(shù)。

    超材料電磁調(diào)制原理

    通過超材料對(duì)電磁波的響應(yīng)，我們可以利用超材料任意控制電磁波傳播的方式。超材料可以超越自然界，讓電磁波往法線同一側(cè)折射，這種材料叫負(fù)折射率超材料；可以讓穿過它的電磁波發(fā)生極化的旋轉(zhuǎn)；可以讓遠(yuǎn)方傳來的電磁波信號(hào)匯聚到一點(diǎn)；甚至可以實(shí)現(xiàn)科幻電影中的“隱身衣”，讓電磁波像流水一樣繞過物體，實(shí)現(xiàn)隱身功能。因此我們可以設(shè)計(jì)和制造在空間增益、波束偏折、極化旋轉(zhuǎn)、吸收、透明等各方面的高性能超材料器件。總之，超材料技術(shù)的核心關(guān)鍵就是對(duì)電磁波傳播的人為設(shè)計(jì)、任意控制。

    超材料產(chǎn)業(yè)化概況

    在超材料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面，國外在積極進(jìn)行超材料產(chǎn)業(yè)化研究的公司包括波音航天航空公司（美國）、豐田汽車公司（日本）、LG電子公司（韓國）、雷神導(dǎo)彈公司（美國）等；國內(nèi)的深圳光啟高等理工研究院（簡稱“深圳光啟研究院”）在超材料產(chǎn)業(yè)化方面取得了一定成果，在推進(jìn)超材料產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列，該研究院的超材料平板式衛(wèi)星天線已經(jīng)在個(gè)別地區(qū)得到了應(yīng)用。

    通過分析全球重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)超材料研究的最新動(dòng)態(tài)，可以及時(shí)了解超材料研究的發(fā)展方向及新興市場。因而，通過對(duì)全球重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)的部分超材料研究進(jìn)行的解讀，可以看出，超材料制造、激光器和光子晶體諧振器是研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)比較關(guān)注的應(yīng)用研究領(lǐng)域。

    此外，佳能株式會(huì)社還關(guān)注將超材料用于微結(jié)構(gòu)制造和發(fā)光器件的研究；日本電報(bào)電話公司還關(guān)注將其用于天線裝置和光諧振器的研究；深圳光啟研究院還關(guān)注將其用于封裝夾具、集熱器等方面的研究；三星電子還關(guān)注將其用于射頻識(shí)別系統(tǒng)、光纖等的研究；中國科學(xué)院還關(guān)注將其用于可集成量子行走器件等的研究；京都大學(xué)還關(guān)注將其用于光電轉(zhuǎn)換元件和太陽能電池等的研究；麻省理工學(xué)院還致力于將超材料用于陀螺儀和光纖波導(dǎo)等領(lǐng)域的研究。近2年，韓國、德國、法國和俄羅斯的超材料領(lǐng)域研究也快速發(fā)展，世界超材料領(lǐng)域研究競爭更加激烈。

    發(fā)展前景

    超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現(xiàn)因技術(shù)的進(jìn)一步突破取得更多成果的領(lǐng)域。未來，超材料的研發(fā)要注重以下一些方向：

    ①對(duì)超材料的工作頻段和方向控制的研究。從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達(dá)到紅外層次，同時(shí)大多數(shù)負(fù)折射率材料僅能在某些角度上實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。對(duì)于實(shí)現(xiàn)更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應(yīng)覆蓋整個(gè)可見光波段，同時(shí)也需要實(shí)現(xiàn)具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。這將是未來超材料發(fā)展的重要課題。

    ②超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。超材料技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品中試階段，如果要進(jìn)行更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，還需要研究大規(guī)模制造大體積超材料的方法。目前實(shí)驗(yàn)室僅掌握在平面上的超材料的制造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實(shí)現(xiàn)。同時(shí)表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規(guī)模地使用還有很長的距離。如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地制造超材料是實(shí)現(xiàn)超材料廣泛使用的重要前提。

    ③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。

    ④不同超材料之間相互作用的研究。這一方向的研究主要包括對(duì)超材料進(jìn)場波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對(duì)超材料內(nèi)部的傳播性質(zhì)的研究。而對(duì)其規(guī)律性的研究又不斷提出新的理論、技術(shù)、方法的需求，從而推動(dòng)與此相關(guān)的新理論概念、分析方法和實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)的發(fā)展。

    我國超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在哪些問題？

    1、超材料設(shè)計(jì)能力有待進(jìn)一步提升

    為湃足對(duì)大量超材料微結(jié)構(gòu)的精確仿真和計(jì)算，需要不斷優(yōu)化運(yùn)算模型，并進(jìn)一步提高超算中心的運(yùn)算能力。目前，我國在電磁器件仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)優(yōu)化方面與發(fā)達(dá)國家存在一定差距。如在大規(guī)模復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析和仿真實(shí)驗(yàn)方面，國外已普遍利用統(tǒng)計(jì)建模和優(yōu)化方法來實(shí)現(xiàn)電磁器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并可根據(jù)實(shí)際清況對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行修止和改進(jìn)，而我國超材料設(shè)計(jì)方法仍存在計(jì)算效率低、尋優(yōu)算法收斂難等問題。

    2、制備加工枝術(shù)難以滿足超材料產(chǎn)業(yè)化需求

    受制于制備工藝和設(shè)備不完善，現(xiàn)階段我國大部分超材料樣品是在“作坊式”的環(huán)境下制作出來的，部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超材料器件仍需通過手工完成。由此帶來的制備效率低、制備成本高‘精細(xì)加工能力弱、可重復(fù)性差等問題成為制約超材料大規(guī)棋產(chǎn)業(yè)化的主要瓶須。如在微結(jié)構(gòu)共形加工方面，日前尚難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形面三維結(jié)構(gòu)的加工，一般只能通過多塊超材料拼接完成加工難度大，精度難以滿足設(shè)計(jì)要求。而在大幅面超材料微結(jié)構(gòu)制備方面，超材料所要求的線路公差控制要求較高，達(dá)標(biāo)設(shè)備供應(yīng)商數(shù)最有限，貨源不穩(wěn)定。

    3、高端測試設(shè)備面臨禁運(yùn)

    酉方發(fā)達(dá)國家長期對(duì)我封鎖超精密測試技術(shù)和儀器設(shè)備，導(dǎo)致我國在超材料的無損檢測領(lǐng)城內(nèi)缺乏有效工具，準(zhǔn)以實(shí)時(shí)監(jiān)控超材料加工質(zhì)量和精度。日前，研究人員大多依賴有損檢測及應(yīng)用效果證實(shí)材料的有效性，導(dǎo)致超材料器件制備效率低、制備質(zhì)量差、研制周期長，浪費(fèi)了大最人力物力和時(shí)間成本。

    4、超材料服役條件下的適應(yīng)性和可靠性尚需研究

    目前，針對(duì)超材料性能的研究多在實(shí)驗(yàn)常條件下完成，而在服役條件下則缺乏相應(yīng)的研究手段。探索超材料在服役條件下的性能演變規(guī)律和失效機(jī)理，進(jìn)而改善超材料服役性能，確保使用可靠，將會(huì)進(jìn)一步拓寬超材料的應(yīng)用范圍。

    5、商業(yè)模式亟待創(chuàng)新

    超材料應(yīng)用前景廣闊，但掌擁超材料設(shè)計(jì)方法和制備手段的單位數(shù)量較為有限。受困于成本囚素，目前超材料僅在軍事國防、部分公共設(shè)施等少數(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用并未在國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模推廣。亟待通過商業(yè)模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)超材料在多個(gè)領(lǐng)城的大規(guī)模應(yīng)用推廣和市場拓展。

    我國超材料產(chǎn)業(yè)如何快速健康發(fā)展？

    1、建立標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范產(chǎn)業(yè)秩序

    標(biāo)準(zhǔn)化作為支撐科技創(chuàng)新配套鏈條的關(guān)健一環(huán)，將有利于推進(jìn)超材料技術(shù)進(jìn)步和成果固化，將為超材料產(chǎn)業(yè)的有序化、規(guī)范化、高速化發(fā)展提供技術(shù)支待，將為超材料產(chǎn)品的商業(yè)化、市場化提供保障，有利于引導(dǎo)資源的合理分配，規(guī)范超材 料在經(jīng)貿(mào)領(lǐng)域的秩序，統(tǒng)籌超材料上、下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)向，促進(jìn)超材料市場特續(xù)健康發(fā)展，進(jìn)而拉動(dòng)新材料產(chǎn)亞領(lǐng)城經(jīng)濟(jì)。

    2、統(tǒng)籌規(guī)劃，整合現(xiàn)有資源

    盡快建立超材料關(guān)誰共性技術(shù)研發(fā)和服務(wù)平臺(tái)，鼓助企業(yè)、科研院所、關(guān)鍵用戶開展深層次的合作研發(fā)。成立技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，整合系統(tǒng)資源，為超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)服務(wù)，促進(jìn)超材料技術(shù)科伎成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，進(jìn)而帶動(dòng)新材料、新一代信息技術(shù)、高端裝備制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)示范引領(lǐng)作用

    3、強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，完善創(chuàng)備能力

    現(xiàn)階段超材料技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸來自于加工和測試設(shè)備的缺失，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化超材料技術(shù)的基礎(chǔ)研究，完善基于超材料關(guān)健技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制備封裝、性能測試、工藝開發(fā)等技術(shù)，突破國外技術(shù)封鎖。

    4、積極推動(dòng)，創(chuàng)新商業(yè)模式

    通過需求牽引，積極推動(dòng)基于超材料技術(shù)的傳統(tǒng)產(chǎn)品升級(jí)和產(chǎn)業(yè)化推廣工作，優(yōu)化制備工藝，降低生產(chǎn)成本，重點(diǎn)支持超材料技術(shù)在航空航天、衛(wèi)星通信、無線互聯(lián)等領(lǐng)域的應(yīng)用示范和創(chuàng)新工程。

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