“一代材料，一代裝備”。新型材料的誕生與發(fā)展，正推動(dòng)我國(guó)武器裝備的作戰(zhàn)能力大幅提升。

今年是我國(guó)建黨100周年，在7月1日的“中國(guó)共產(chǎn)黨成立100周年慶祝大會(huì)”上，由15架國(guó)產(chǎn)先進(jìn)隱身戰(zhàn)機(jī)——殲-20呈三個(gè)編隊(duì)首次大規(guī)模飛越天安門上空時(shí)，引發(fā)了全世界的關(guān)注。尤其是殲-20正式列裝于我國(guó)多支英雄空軍部隊(duì)，加快了我國(guó)新時(shí)代空軍實(shí)現(xiàn)使命的進(jìn)程，也代表著我國(guó)先進(jìn)武器裝備已經(jīng)正式邁入了新階段。

超材料：會(huì)改寫未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)嗎？

超越天然材料的新型材料

作為人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料是國(guó)防工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的重要內(nèi)容。目前，傳統(tǒng)高性能材料越來(lái)越依賴各類稀缺資源，人們想在自然界中找尋具有超物理特性天然材料的嘗試也一直收效甚微，必須另辟蹊徑探尋超越常規(guī)材料性能極限的新型材料。直到21世紀(jì)初，美國(guó)研究人員才首次在實(shí)驗(yàn)室中利用微波技術(shù)發(fā)現(xiàn)了“隱身衣”的蛛絲馬跡，也由此宣告了超材料的誕生。

作為當(dāng)今世界材料學(xué)領(lǐng)域的熱門詞匯，其中的“超”就表示“超出、另類”的意思。超材料，主要指擁有天然材料所不具備的超常屬性的人工復(fù)合材料，能實(shí)現(xiàn)天然材料望塵莫及的彎曲、散射或傳輸電磁波等特殊性能。超材料的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到，可對(duì)現(xiàn)有材料通過(guò)人工構(gòu)建不同“模塊”，形成超越天然材料的新型材料。超材料也因此被譽(yù)為“一種由材料組成的‘材料’”。

事實(shí)上，研制超材料就是按照特定的規(guī)則組合，搭配出不同電磁響應(yīng)屬性的人工復(fù)合材料。這些材料的屬性除由材料本身決定外，還與其結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、排列和組合方式等緊密相關(guān)。通過(guò)改變超材料關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)和尺寸，人們就可以像搭積木一般實(shí)現(xiàn)對(duì)光波、雷達(dá)波、無(wú)線電波、聲波乃至地震波的任意彎曲和精細(xì)“裁減”。研究人員還借助超材料薄層能讓光線繞過(guò)物體的屬性，開(kāi)始研究使物體無(wú)影無(wú)蹤的“隱身斗篷”。

目前，超材料最引人關(guān)注的屬性包括負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、超常電磁特性以及超分辨率成像等。也正是這些獨(dú)具一格的物理特性，使得超材料的應(yīng)用前景覆蓋了基礎(chǔ)工業(yè)、國(guó)防軍事以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方方面面。以具有超常電磁特性的電磁超材料為例，目前就已經(jīng)在通信、制造、隱身、探測(cè)、核磁、太陽(yáng)能以及微波利用等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

光天化日之下消失于無(wú)形

這將會(huì)是發(fā)生在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的一幕。戰(zhàn)斗打響后，駕駛隱形車、身披隱身衣的一方，在敵人看不到自己時(shí)卻對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)“洞若觀火”，戰(zhàn)爭(zhēng)勝敗的天平也自然會(huì)向擁有“隱身斗篷”的一方傾斜。

近年來(lái)，能用作“隱身衣”的超材料得到各軍事大國(guó)的競(jìng)相研發(fā)投入，力圖實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)上的“單向透明”。

與以往人們希望在夜空或深海中悄然藏匿所不同，超材料就是一種讓任何物體在光天化日之下消失于無(wú)形的“魔法術(shù)”。目前，研究人員已經(jīng)通過(guò)網(wǎng)格狀金屬合金超材料研制出一種“隱身斗篷”，能捕獲、存儲(chǔ)或操控光線。近年來(lái)，人們還制造出了紙片厚度的超材料薄片，把“隱身斗篷”穿到身上或許只是時(shí)間問(wèn)題。

正是意識(shí)到超材料廣泛的應(yīng)用前景，以美國(guó)為首的西方國(guó)家相繼投入巨資用于這一重要戰(zhàn)略前沿技術(shù)研究。美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局也相繼開(kāi)展超材料技術(shù)研究，美國(guó)陸軍還專門研究了在特定電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身超材料。

英特爾、AMD和IBM等6家美國(guó)半導(dǎo)體公司還專門成立了資助超材料研究的聯(lián)合基金，包括波音公司、洛克希德·馬丁公司和BAE系統(tǒng)公司等軍工巨頭也不甘在超材料研究中掉隊(duì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)軍方共支持了超過(guò)100家企業(yè)開(kāi)展超材料應(yīng)用研究，領(lǐng)域涵蓋雷達(dá)、導(dǎo)彈天線罩、吸波材料、電子干擾箔條、通信天線和隱身技術(shù)等。

除軍事應(yīng)用外，荷蘭研究人員已經(jīng)利用超材料研制出一款可編程的智能橡膠，未來(lái)人們將有望穿上根據(jù)地面軟硬度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的鞋子。法國(guó)科學(xué)家還希望通過(guò)對(duì)超材料墻壁和地面精確打孔來(lái)轉(zhuǎn)移地震波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)防震減災(zāi)。

此外，超材料還被廣泛應(yīng)用于生物成像、生化探測(cè)、癌癥治療等領(lǐng)域。電磁超材料太陽(yáng)能電池將進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，人們還研制出了一款可在任何地方連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的電磁超材料可折疊天線。

將在軍事領(lǐng)域“大顯神通”

正所謂“一代材料，一代裝備”。新型材料的誕生與發(fā)展，必然會(huì)推動(dòng)武器裝備和作戰(zhàn)樣式出現(xiàn)重大變革。

超材料技術(shù)雖然發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，但由于可使武器裝備獲得壓倒性的不對(duì)稱戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，早已得到具體應(yīng)用。與常規(guī)材料相比，超材料具備新奇人工結(jié)構(gòu)、超常規(guī)物理屬性和“按需定制”設(shè)計(jì)思路等基本特征。這些擁有巨大應(yīng)用潛力和廣闊發(fā)展空間的超材料，也將在未來(lái)軍事應(yīng)用中“大顯神通”。美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)、B-2轟戰(zhàn)機(jī)以及DDG-1000濱海戰(zhàn)斗艦上都應(yīng)用有超材料技術(shù)。

隱身一直是超材料“出鏡率”最高的應(yīng)用方向，主要包括聲波隱身、光波隱身、電磁波隱身和觸覺(jué)隱身等。2014年，美國(guó)研究人員研制出一款三維聲波“隱身斗篷”。這種聲波隱身裝置利用超材料，使得入射聲波沿“斗篷”表面?zhèn)鞑ザ话l(fā)生反射或透射，未來(lái)有望應(yīng)用于主動(dòng)聲吶對(duì)抗。此外，美國(guó)海軍還開(kāi)發(fā)出一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術(shù)，就是在潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料中加入超材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波傳輸?shù)囊龑?dǎo)，有可能改寫未來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)的“游戲規(guī)則”。

在光波隱身領(lǐng)域，加拿大研究人員曾研制出一款名為“量子隱身”的超材料，能通過(guò)使周圍光線折射彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身效果。這種隱身超材料不僅能“騙”過(guò)人的肉眼，遇到軍用夜視儀、紅外探測(cè)器等先進(jìn)技術(shù)裝備也一樣可以成功“脫身”。這種光波隱身材料不僅可用于地面部隊(duì)晝間突襲，還可應(yīng)用于新一代隱形戰(zhàn)機(jī)、艦艇和坦克。此外，研究人員還利用機(jī)械超材料實(shí)現(xiàn)了可屏蔽觸覺(jué)的“隱身斗篷”，即便是用手觸摸都無(wú)法感覺(jué)到突出物體的存在，或?qū)⒃谖磥?lái)軍事應(yīng)用中開(kāi)辟出一番新天地。

天線與天線罩也是超材料的另一“用武之地”。應(yīng)用在導(dǎo)彈、雷達(dá)和航天器天線上的超材料，能大幅度降低天線能耗，拓展工作帶寬，還將增強(qiáng)天線的聚焦性和方向性。美軍新一代E-2“鷹眼”預(yù)警機(jī)就通過(guò)采用超材料大幅提升了雷達(dá)探測(cè)能力，美國(guó)雷神公司還專門為導(dǎo)彈研制了超材料天線罩，能使穿過(guò)導(dǎo)彈天線罩的電磁波不產(chǎn)生折射，進(jìn)而提升導(dǎo)彈的打擊精度。

此外，科研人員試圖研制一種通信用超材料平面天線，在提升無(wú)人機(jī)通信性能的同時(shí)進(jìn)一步減少天線數(shù)量，或?qū)?lái)天線設(shè)計(jì)的劃時(shí)代變革。