. ]9 Z6 O3 S! p 超材料，英文稱為Metamaterial，其中拉丁語(yǔ)詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義。一般文獻(xiàn)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。”; S* e F G" L
5 M5 j5 R% {! H% v, `- ` 首先讓我們從中學(xué)物理課上老師都會(huì)演示的一個(gè)現(xiàn)象說(shuō)起：當(dāng)一束光從空氣斜射入水中，會(huì)產(chǎn)生入射光和折射光，它們居于法線的兩側(cè)。因?yàn)檫@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(dāng)光入射其表面時(shí)，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢？3 S9 F: u9 K: }+ l6 L/ H$ Z
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其實(shí)早在1968年時(shí)，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個(gè)疑問(wèn)，并在理論上預(yù)測(cè)了上述“反常”現(xiàn)象。只是由于沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加之當(dāng)時(shí)處于功能材料發(fā)展初期，人們對(duì)菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。) d0 D8 \9 A8 i3 o; ?
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根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)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(jì)并制作出足夠小的“設(shè)備”。近年來(lái)，科學(xué)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(guò)不同的結(jié)合結(jié)構(gòu)和排列設(shè)計(jì)制造出各種超材料，實(shí)現(xiàn)了讓光波、雷達(dá)波、無(wú)線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢(mèng)想。 4 H' t# l! t3 {0 L4 y* m8 t , s9 |9 w, u& N; {$ [* @6 y+ H 如今，超材料研究正在發(fā)酵。美國(guó)《科學(xué)》雜志將其列入本世紀(jì)前10年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一，引發(fā)了諸如新一代信息技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、新能源技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革。 5 M2 E$ q3 m4 Z: h; ]( R3 Y& Y w' O7 D
- 群雄競(jìng)逐 你追我趕. X: S; I1 [2 F' _
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國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈" S( @- ?- B. e3 r* L3 e1 L. [" N
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這場(chǎng)變革已經(jīng)到來(lái)。發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對(duì)超材料技術(shù)的研發(fā)給予高度重視，制定了相關(guān)計(jì)劃，投入了大量人力和物力。2 w1 V8 E0 C" p4 [1 H) `4 r0 W4 ]
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例如，美國(guó)國(guó)防部專門啟動(dòng)了關(guān)于超材料的研究計(jì)劃，美國(guó)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(guó)國(guó)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(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，支持至少兩個(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。1 X# s3 J1 _; N8 z4 p
0 F: p& p e( i' u/ Q/ L 在各國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。2 K+ }! \. v7 s5 }& U3 D0 X
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美國(guó)的科學(xué)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(wú)能為力的地方大顯身手”，如航天飛機(jī)或者噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱設(shè)備。 ) e5 h% f B5 [8 S5 P9 C* h2 K& T, f6 k
在德國(guó)，科學(xué)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(cè)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署在內(nèi)的軍方機(jī)構(gòu)，尋求的正是這種隱藏技術(shù)，以便讓飛機(jī)在軍事雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)隱身。( W( r6 P" G. x/ m
5 o$ u! @2 {/ } 法國(guó)科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了通過(guò)超材料墻壁和地面精確打孔來(lái)轉(zhuǎn)移地震波，讓地震和海嘯偏離建筑物或城鎮(zhèn)，以達(dá)到減災(zāi)的目的。- W2 b" Q& U2 S: `5 U2 |/ T
# i" G" f" h9 c& e. Q0 E 荷蘭的的科學(xué)家則制造出在力學(xué)上可編程的智能橡膠。通過(guò)小型開關(guān)的控制和特殊的設(shè)計(jì)，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(gè)階段進(jìn)行快速轉(zhuǎn)變。借助這種材料，人們不久或?qū)⒖梢源┥夏芡ㄟ^(guò)感應(yīng)地面軟硬度而自動(dòng)調(diào)節(jié)的鞋子。 6 K7 ~0 s0 S+ O4 Q ( _9 {# y5 p5 p4 V 目前，基于這些實(shí)驗(yàn)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(dá)天線、吸波材料、電子對(duì)抗雷達(dá)、超材料通信天線、無(wú)人機(jī)雷達(dá)、聲學(xué)隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。 % a L a# \8 F$ D% W |2 p / _" ?2 O1 Z {$ o5 ?合力攻關(guān) 注重應(yīng)用3 Z/ |! ~. @+ i7 h1 `
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我國(guó)領(lǐng)跑有優(yōu)勢(shì) 0 X' O& n% [8 @2 X( F # h& j) q1 u- w2 ~2 K& C& E 相比于不少國(guó)家相對(duì)分散的發(fā)展模式，我國(guó)在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國(guó)已分別在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、新材料重大專項(xiàng)等項(xiàng)目中對(duì)超材料研究予以立項(xiàng)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(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，我國(guó)企業(yè)取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)中占到先機(jī)。% d5 [3 Z- J4 L) ^) B
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曾在美國(guó)留學(xué)并在《科學(xué)》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(wú)疑是其中代表。2010年，以劉若鵬博士為首的5位留學(xué)生團(tuán)隊(duì)回國(guó)創(chuàng)辦了深圳光啟。經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)超過(guò)2800件專利，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的86%，該公司還在創(chuàng)建基于超材料的智慧社區(qū)、無(wú)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(dá)70%，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2微米的工藝精度。他們還設(shè)計(jì)了超材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程。 ! N! b; B# H1 n2 d6 Q( Z' L / C; P# n; W" l- z7 J3 x/ G( \6 _ 以其設(shè)計(jì)的電磁超材料天線為例，運(yùn)用一塊可折疊為筆記本大小、印著“江南水鄉(xiāng)風(fēng)景畫”的電路板，飛機(jī)、火車、輪船、汽車就能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鞭長(zhǎng)莫及的偏遠(yuǎn)地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。不管衛(wèi)星在天空中的哪個(gè)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(gè)方向盯著一顆衛(wèi)星。. m% @4 c& N3 V$ @0 o% L+ A9 o
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美國(guó)類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計(jì)劃今年才開始，而光啟早在3年前便在我國(guó)22個(gè)省份進(jìn)行了安裝試用。而這，僅僅是中美之間近年來(lái)在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競(jìng)爭(zhēng)之一。 6 ?7 m! i& D8 Y1 V ( d2 c+ C) s. m/ g6 c# k 另一方面，我國(guó)在超材料的微結(jié)構(gòu)加工方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。去年，中南大學(xué)教授黃小忠的團(tuán)隊(duì)利用3D打印機(jī)，通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行編碼，獲得了一塊邊長(zhǎng)18厘米、包括10萬(wàn)個(gè)物理單元的具有隱身性能的超材料，這樣可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來(lái)太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。 $ G. z B5 q! c) _7 q5 E: N# y; f( o& {' H: N8 Z
此外，為了打破歐美對(duì)超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，上月，全國(guó)電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)審查和報(bào)批了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語(yǔ)》。這意味著，我國(guó)在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)我國(guó)在超材料技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化起到重要作用。+ f& \* ?. e, k2 y
