那么問題來了——究竟什么是超材料？ {. {) {5 V8 ]1 {0 k& g3 j' M
* I8 {( w1 W2 E. x; X+ w" z! ~ 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)的人工復合結構或復合材料。”
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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。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呢？
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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，并在理論上預測了上述“反?！爆F(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。
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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，前提是設計并制作出足夠小的“設備”。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構，將材料的單元結構(人工原子和人工分子)集合，通過不同的結合結構和排列設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。
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4 Z5 `; g* V1 h 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、國防工業(yè)、新能源技術、微細加工技術等領域的重大變革。
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& N8 ^6 B7 @0 |: A- 群雄競逐 你追我趕
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6 L& x' m- O% \ 國際競爭日益激烈
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這場變革已經(jīng)到來。發(fā)達國家的政府、學術界、產(chǎn)業(yè)界對超材料技術的研發(fā)給予高度重視，制定了相關計劃，投入了大量人力和物力。
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7 P+ K) T" m" i- J0 x5 R& y, t 例如，美國國防部專門啟動了關于超材料的研究計劃，美國最大的6家半導體公司英特爾、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“六大顛覆性基礎研究領域”之一。歐盟組織了50多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，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，支持至少兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目約為30億日元。
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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)。5 H& B& R* H3 j! e l8 v9 }
+ x1 p* x# v# K) R3 ^# V/ e 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)動機的隔熱設備。0 t! m x' x3 P
2 ? M! Z! I: ~/ ?5 q! E& n& `9 D5 M 在德國，科學家已經(jīng)使用一種叫作“徑直激光平版刻錄”技術制成由微型塑料棒構成的隱形材料片。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，尋求的正是這種隱藏技術，以便讓飛機在軍事雷達探測范圍內(nèi)隱身。( Z" `6 a8 v; X- f* B/ H* _: n {
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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)，以達到減災的目的。0 d h! |/ X4 C( @4 p' v" z) i
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荷蘭的的科學家則制造出在力學上可編程的智能橡膠。通過小型開關的控制和特殊的設計，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^感應地面軟硬度而自動調(diào)節(jié)的鞋子。
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4 c) L0 B" F5 _: A& k6 X4 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、聲學隱身技術等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國競爭的焦點。- M7 c& g, |3 o0 C/ a; f
' j, y" p, R R0 _$ }) [合力攻關 注重應用
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! T C4 E: R8 h/ S 我國領跑有優(yōu)勢, J! p; Z1 D' y/ d4 Y
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相比于不少國家相對分散的發(fā)展模式，我國在超材料領域的發(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、超材料隱身技術介質(zhì)基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，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" S6 U7 @5 C4 V F p
) q9 O7 c) X) g6 Q0 k 曾在美國留學并在《科學》雜志發(fā)表關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，約占相關領域?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構精試線，設備定制化程度高達70%，可實現(xiàn)高達2微米的工藝精度。他們還設計了超材料生產(chǎn)標準化流程。
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5 p0 Y R0 J D4 Q, i" ^ 以其設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。
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$ {! R5 B r% c* ~% l, f8 H 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域展開的激烈競爭之一。
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另一方面，我國在超材料的微結構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。
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- J# {7 }$ `1 g( x- _ 此外，為了打破歐美對超材料技術標準的壟斷，上月，全國電磁超材料技術及制品標準化技術委員會審查和報批了國家標準《電磁超材料術語》。這意味著，我國在全球率先制定出超材料領域的國家標準，將對我國在超材料技術的研究和標準轉(zhuǎn)化起到重要作用。
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) M/ e& t0 x. n$ M; ^! p( l 有調(diào)研公司預測，超材料全球市場規(guī)模在2010—2020年間將以高達41%的年復合增長率發(fā)展?？梢灶A計，隨著全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化、“智能+”應用領域不斷擴大，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域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。$ ^' P. _/ }! [* p; h
! J# L: D' d0 n8 k) z 利用駕馭電磁波的超材料技術來建造未來世界，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點。應當說，我們在這方面擁有明顯優(yōu)勢，完全有條件成為這場創(chuàng)新革命的領跑者。
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* c+ w! u6 G. o+ V. D1 ]# [ 專家視點——
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2 Y4 P$ S! j* u0 B" v+ @& @; `! \ “超材料”這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個領域。這一技術最初在電磁學領域引發(fā)轟動，接著長驅(qū)直入，進入包括熱力學在內(nèi)的多個領域，最近又開始在力學領域掀起狂瀾。
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——德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授
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超材料對航空航天、國防、民用科學技術的促進表明，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。
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( M% A& t8 o9 m, x/ h1 X; p x( E ——中國工程院院士段寶巖4 q1 f& ~: j5 V
$ H' I$ D/ J- { 超材料的設計思想和方法很有可能成為發(fā)掘材料新功能、引領產(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。應進一步明確在國家層面大力發(fā)展超材料技術的必要性，凝練發(fā)展重點，選擇合理技術路線，制定符合超材料技術發(fā)展趨勢、與我國國情相適應的超材料技術發(fā)展戰(zhàn)略。
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——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
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