隐身的希望！超材料多领域的颠覆性效应与发展挑战 -山东化工网

隐身的希望！超材料多领域的颠覆性效应与发展挑战

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-26 14:34:39

在当今科技飞速发展的时代，超材料已然成为备受瞩目的前沿研究领域。它以独特的人工微结构在亚波长尺度内精确调控物理场，展现出超越传统天然材料的奇异特性，实现了结构功能一体化。从起源到蓬勃发展，超材料在多领域应用中不断彰显其颠覆性效应，不仅在我国得到高度重视且成果丰硕，同时也面临着诸多挑战与发展机遇，其未来更是有着广阔的前景值得我们深入探索。

一、超材料概述

超材料（Metamaterial）是一类通过人工微结构在亚波长尺度内精确调控物理场的复合材料或结构阵列，它是近年来由科学界兴起、被工程界广为关注的全新材料构建范式。其不仅在宏观上展现出超越传统天然材料的奇异特性，还可实现结构功能一体化。说它是“材料”，是因为其结构组成材料是现实存在的；说它不是“材料”，是因为其借助微结构的设计实现了目前自然界现有材料所不具备的物理特性，像负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应等超常物理特性，这些特性主要取决于超材料单元结构的图案形状、尺寸、排列方式以及介质层的电磁参数等因素。

早在 20 世纪 60 年代，苏联科学家 V.G. Veselago 就设想了一种介电常数和磁导率均为负数的左手材料，并利用理论预测了该材料特有的负折射、逆多普勒效应和反向切连科夫辐射等新奇电磁现象，不过当时受限于无法合成这种特异材料，相关研究陷入沉寂。直到 20 世纪 90 年代后期，英国帝国理工学院的 John Pendry 爵士提出用周期排列的细金属线和开口谐振环结构在微波段分别实现等效负介电常数和负磁导率的新思想，这为后续超材料的实质性发展奠定了基础。2000 年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 Rodger Walser 教授在美国物理学会春季年会上正式提出超材料（Metamaterial）的概念，即一种通过人工构造周期结构来实现电磁谐振激发的、非天然存在的宏观三维复合材料，随后其理念被推广至声学、力学和热学等其他学科，用以实现更多反常物理特性。

二、超材料的多领域应用与发展

电磁超材料：

电磁超材料（包括微波、毫米波、太赫兹、红外及光学超材料）是研究者最先关注、影响最为广泛的超材料分支，甚至在较长一段时间内超材料一词专指人工电磁媒质。自 2001 年首次在实验室制备出具有负折射特性的微波超材料以来，研究者不仅探索了诸多颠覆传统认知的电磁新理论、新方法，而且创造了诸多前所未有的新奇应用，丰富了电磁器件及系统的构建范式。

例如，变换光学理念的提出为灵活构建具有新型电磁功能的超材料提供了理论指导，基于此先后研制出了“二维隐身地毯”“三维地面隐身衣”以及在实验室模拟出了光学黑洞等成果，极大地拓展了超材料的应用边界。人工表面等离激元作为电磁超材料对表面导行电磁模式有效操控的典型成果，有着低损耗、色散可调控等优势，后续又发展出了人工局域化表面等离激元模式以及超薄人工表面等离激元结构等，为微波技术的革新提供了新途径。

超表面概念的出现也是电磁超材料领域的一大亮点，它可看作超材料的二维版本，具有低剖面、低损耗、易加工的优势，催生出了诸如编码超表面、信息超表面等原创概念以及波束偏折调控、新型天线设计、电磁隐身和伪装等新奇应用。此外，信息超材料的提出更是颠覆了传统电磁超材料通过模拟化的材料参数进行表征的体系，允许通过控制不同的编码序列来实时大范围地调控电磁波行为，进而实现超材料功能的现场可编程，推动了全息成像、微波成像和无线通信系统等的构建。

我国在电磁超材料领域研究成果颇丰，处于全局并跑、局部领跑的地位，涌现出了众多具有国际影响力的科研团队。比如在电磁超材料等效媒质理论的构建、左手材料的机理研究和应用创新、变换光学的原理研究与应用发掘、人工表面等离激元超材料、光学超材料的性能发掘与应用研究以及电磁超表面的特性探究与器件研发应用等方面，都有不同团队开展深入且系统的工作，为我国电磁超材料的理论与应用体系构建贡献了力量。

声学超材料：

由于电磁波和声波具有共同或相似的波参数概念且均满足波动方程，研究者便将电磁超材料的设计思想移植到声学领域，诞生了声学超材料这一全新概念。它是由亚波长人工结构经过特定设计而构建的新型复合声学材料，与传统声学材料相比，可通过改变结构构型来实现对声波的灵活控制，并由此产生了一系列诸如操纵非对称声传输、柱面到平面波转换、异常折射或反射、声学自弯曲、非衍射贝塞尔光束、声学聚焦和声学隐形等新奇物理现象及应用成果。

例如，在声学隐身方面，科学家们通过不同方法设计出了三维声学隐身斗篷、二维的圆柱形声学斗篷以及近乎完美的三维、宽频带、全方位地毯式声学隐身斗篷等；在声场传输模式调控上，利用声学超材料实现了定向控制反射声波、声波漫反射、声波传输带隙调控以及水 - 空气界面声波的高效传输等；在声场感知与成像研究中，也实现了声聚焦、声色散棱镜以及声学全息成像等功能。

我国在声学超材料领域研究进展迅速，正处于由跟跑到并跑的地位转变期，有香港科技大学沈平教授团队、南京大学陈延峰教授团队等一批优秀科研团队，在声学超材料的特性发掘以及基于其特性的器件研发与应用创新方面都开展了大量工作，在吸声降噪、声场调控、声学聚焦、水声通信等诸多领域取得了重要突破。

力学超材料：

力学超材料亦称机械超材料，由声学超材料衍生而来，其新奇的力学特性源于人工单元排列的几何构型，通过合理设计结构布局可实现如超刚性、拉伸性、负热膨胀和负压缩性等前所未有的力学性能。尽管力学超材料的研究规模相对电磁超材料和声学超材料较小，但也诞生了一些有代表性的创新应用成果。像美国弗吉尼亚理工大学 Zheng 教授研究团队设计的金属基质力学超材料，兼顾高强度和超低密度的特点，在多个领域有着巨大应用潜力；还有北卡罗来纳州立大学 Yin 教授与耶鲁大学 Zhang 教授团队提出的 3D 剪纸超材料，具备功能可重构的独特性能。

我国在力学超材料领域同样深入开展研究，在国际上基本处于并跑地位，有北京理工大学方岱宁院士团队、清华大学陈常青教授团队等一批优秀团队，在理论建模与特性研究方面做出了原创性贡献，在应用创新方面也将超材料的特性优势应用于力学材料构建，在抗冲减震、增材制备、力学隐身、结构轻质化等多个领域开展深入研究，为我国力学体系发展奠定基础。

热学超材料：

热学超材料与声和光的波动行为不同，热传导满足的是扩散方程，其研究起步相对较晚。借鉴电磁超材料的设计思想，热学超材料通过人工结构设计来实现热导系数按需分布，进而推动新奇热学现象的实现和热学器件的研发。

例如，新加坡国立大学李保文和仇成伟教授团队提出了热二极管的理论模型，还有多个团队在热学隐身方面做了诸多工作，从理论提出到实验验证实现了不同形式的热隐身斗篷以及具有热幻象或热伪装功能的隐身斗篷等；在热流传输方面，实现了热流聚焦、均匀加热、热收集等功能，还提出了热二极管、热三极管、热逻辑门和热存储器等多种热信息器件模型。

我国在热学超材料领域起步较晚，正处于从跟跑到并跑的地位提升关键期，复旦大学黄吉平教授团队、哈尔滨工业大学李垚教授团队等一批团队在热学超材料的原理探究与性能发掘以及应用开发方面开展工作，为我国热学超材料领域的发展贡献力量。

三、超材料在不同层面的地位和作用

科学研究层面：

超材料技术的诞生颠覆了物理学的传统认知，改变了材料学的构建方式，在科学共同体中产生了巨大影响，多次被《科学》等权威杂志评为“全球十大科技突破”之一。例如，负折射率左手材料的相关研究入选《科学》杂志评选的“2003 年全球十大科技突破”；隐形斗篷相关工作入选“2006 年全球十大科技突破”；光学无色差超透镜工作入选“2016 年全球十大科技突破”等，足见其在科学探索领域的重要地位。

应用研究层面：

超材料极大地改变了材料器件的设计模式，有望突破传统信息技术的系统架构，构建技术领域的非对称优势，引起了各国广泛关注。

民生产业层面：

以信息超材料为代表的新一代超材料技术演进有助于促进产业升级，推动产业变革。在移动通信领域，信息超材料被认为是未来 6G 移动通信的重要使能技术之一，可突破现有通信技术的诸多桎梏，为提供更优质的通信服务奠定基础。此外，超材料技术还将广泛应用于医疗检测、遥感遥测、传感成像和人工智能等诸多产业领域，有望促进各领域产业技术的迭代升级，国外多家民用领域商业巨头也成立联合研究基金支持其研发探索。

四、我国超材料技术发展现状与支持

我国虽然在超材料领域起步略晚，但后来居上，涌现出了一批具有行业影响力的超材料研究团队，例如南京大学祝世宁院士团队、北京大学龚旗煌院士团队等，诞生了一系列有代表性意义的科研成果，涵盖了光学超材料、全介质超材料、太赫兹超表面等多个方面，为我国超材料技术赶超国际前沿提供了原始驱动力。

我国政府对超材料技术予以了高度的关注，在 2016 年 3 月，“十三五”规划纲要明确提出，需要大力发展以超材料为代表的新型功能材料，这标志着推动超材料领域发展已经上升为国家战略。并且，“863 计划”“973 计划”、国家自然科学基金重大项目和重点项目、“变革性技术”国家重点研发计划项目等重大科学研究项目都给予了大力支持，培养了大批科研人才，促进了诸多创新性研究成果的诞生，覆盖多个学科领域，也为解决多项“卡脖子”问题提供了可行途径。

五、超材料的未来发展方向与挑战

发展超材料的集成化技术：

目前超材料研究往往侧重于单一物理性能的突破，对其他物理性能缺乏综合考量，导致难以应用于实际系统平台。要突破这一障碍就需要发展超材料集成技术，包括关注超材料本身多种物理功能兼容的内在集成技术以及与系统其他功能模块高度配合的外部集成技术。

在内在集成技术方面，理论上要着力发展多物理场联合调控的理论方法，研究不同物理场激励下超材料响应的演变规律以及多条件约束下的综合性能优化方法；技术上着重发展结构与材料一体化设计方案，探索与其他高性能基础材料的有机融合方式以及特殊构型条件下的高效加工方法。外部集成技术则在理论上需全力发展崭新的超材料系统观，研究超材料功能参数的整体系统效应以及超材料模块与其他系统模块间相互作用的规律；技术上聚力发展超材料与系统平台的集成技术方案，探索适应平台的物理嵌合方法及信息融合方法。

发展信息化、智能化超材料：

信息超材料虽构建了数字信息与物理场操控之间的有效映射，但现有研究在信息感知与信息处理方面涉及较少，尚未形成全信息流程的闭环，对传统系统架构的颠覆性效用未完全发挥。未来需进一步发展认知超材料和智能超材料。

实现认知超材料要在理论层面深度挖掘融合物理场操控与数字信息处理的全新信息理论，技术层面有效集成感知和处理模块，打通信息超材料的全信息链能力，这有望突破现有信息理论限制，创造全新的信息系统构建范式。而实现智能超材料则要在理论层面突破现有人工智能理论局限，开发融合底层物理与上层算法的物理智能理论，技术层面探求多层信息超表面交互技术，构建多层神经网络物理实体，其有可能成为未来“人工脑”的使能技术。

工作频段和方向控制及产业化发展：

从工作频段和方向控制来看，目前超材料的频段还只能达到红外层次，多数负折射率材料仅能在某些角度实现负折射现象，要实现更好隐身等功能，需覆盖整个可见光波段并实现各向同性特性，这是未来重要的研究课题。

同时，超材料技术目前处于实验室到产品中试阶段，距离大规模产业化还有差距，需要研究大规模制造大体积超材料的方法。当前实验室仅掌握平面超材料制造工艺，立体超材料以及大面积表面工艺都有待突破，实现大规模制造是超材料广泛应用的重要前提。

此外，新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法，还有不同超材料之间相互作用的研究等也都是未来超材料发展需要关注的方向，这些研究能推动相关新理论、技术、方法的发展，超材料吸波体的研究已展现出巨大的应用潜力。

总之，超材料作为近几十年来材料科学、电子科学以及信息科学领域的前沿热点，有着颠覆性的结构功能一体化特点和广阔的应用前景，我国在该领域已取得显著成绩，未来通过不断攻克难题、持续创新，有望借助超材料技术实现产业的弯道超车，推动我国相关产业蓬勃发展，达成《中国制造 2035》的宏伟目标。

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