国产午夜精品麻豆,国产一级成人av,国产亚洲精彩久久

隱身的希望！超材料多領域的顛覆性效應與發展挑戰

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-26 14:34:39

在當今科技飛速發展的時代，超材料已然成為備受矚目的前沿研究領域。它以獨特的人工微結構在亞波長尺度內精確調控物理場，展現出超越傳統天然材料的奇異特性，實現了結構功能一體化。從起源到蓬勃發展，超材料在多領域應用中不斷彰顯其顛覆性效應，不僅在我國得到高度重視且成果豐碩，同時也面臨著諸多挑戰與發展機遇，其未來更是有著廣闊的前景值得我們深入探索。

一、超材料概述

超材料（Metamaterial）是一類通過人工微結構在亞波長尺度內精確調控物理場的復合材料或結構陣列，它是近年來由科學界興起、被工程界廣為關注的全新材料構建范式。其不僅在宏觀上展現出超越傳統天然材料的奇異特性，還可實現結構功能一體化。說它是“材料”，是因為其結構組成材料是現實存在的；說它不是“材料”，是因為其借助微結構的設計實現了目前自然界現有材料所不具備的物理特性，像負介電常數、負磁導率、負折射率、逆多普勒效應等超常物理特性，這些特性主要取決于超材料單元結構的圖案形狀、尺寸、排列方式以及介質層的電磁參數等因素。

早在 20 世紀 60 年代，蘇聯科學家 V.G. Veselago 就設想了一種介電常數和磁導率均為負數的左手材料，并利用理論預測了該材料特有的負折射、逆多普勒效應和反向切連科夫輻射等新奇電磁現象，不過當時受限于無法合成這種特異材料，相關研究陷入沉寂。直到 20 世紀 90 年代后期，英國帝國理工學院的 John Pendry 爵士提出用周期排列的細金屬線和開口諧振環結構在微波段分別實現等效負介電常數和負磁導率的新思想，這為后續超材料的實質性發展奠定了基礎。2000 年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的 Rodger Walser 教授在美國物理學會春季年會上正式提出超材料（Metamaterial）的概念，即一種通過人工構造周期結構來實現電磁諧振激發的、非天然存在的宏觀三維復合材料，隨后其理念被推廣至聲學、力學和熱學等其他學科，用以實現更多反常物理特性。

二、超材料的多領域應用與發展

電磁超材料：

電磁超材料（包括微波、毫米波、太赫茲、紅外及光學超材料）是研究者最先關注、影響最為廣泛的超材料分支，甚至在較長一段時間內超材料一詞專指人工電磁媒質。自 2001 年首次在實驗室制備出具有負折射特性的微波超材料以來，研究者不僅探索了諸多顛覆傳統認知的電磁新理論、新方法，而且創造了諸多前所未有的新奇應用，豐富了電磁器件及系統的構建范式。

例如，變換光學理念的提出為靈活構建具有新型電磁功能的超材料提供了理論指導，基于此先后研制出了“二維隱身地毯”“三維地面隱身衣”以及在實驗室模擬出了光學黑洞等成果，極大地拓展了超材料的應用邊界。人工表面等離激元作為電磁超材料對表面導行電磁模式有效操控的典型成果，有著低損耗、色散可調控等優勢，后續又發展出了人工局域化表面等離激元模式以及超薄人工表面等離激元結構等，為微波技術的革新提供了新途徑。

超表面概念的出現也是電磁超材料領域的一大亮點，它可看作超材料的二維版本，具有低剖面、低損耗、易加工的優勢，催生出了諸如編碼超表面、信息超表面等原創概念以及波束偏折調控、新型天線設計、電磁隱身和偽裝等新奇應用。此外，信息超材料的提出更是顛覆了傳統電磁超材料通過模擬化的材料參數進行表征的體系，允許通過控制不同的編碼序列來實時大范圍地調控電磁波行為，進而實現超材料功能的現場可編程，推動了全息成像、微波成像和無線通信系統等的構建。

我國在電磁超材料領域研究成果頗豐，處于全局并跑、局部領跑的地位，涌現出了眾多具有國際影響力的科研團隊。比如在電磁超材料等效媒質理論的構建、左手材料的機理研究和應用創新、變換光學的原理研究與應用發掘、人工表面等離激元超材料、光學超材料的性能發掘與應用研究以及電磁超表面的特性探究與器件研發應用等方面，都有不同團隊開展深入且系統的工作，為我國電磁超材料的理論與應用體系構建貢獻了力量。

聲學超材料：

由于電磁波和聲波具有共同或相似的波參數概念且均滿足波動方程，研究者便將電磁超材料的設計思想移植到聲學領域，誕生了聲學超材料這一全新概念。它是由亞波長人工結構經過特定設計而構建的新型復合聲學材料，與傳統聲學材料相比，可通過改變結構構型來實現對聲波的靈活控制，并由此產生了一系列諸如操縱非對稱聲傳輸、柱面到平面波轉換、異常折射或反射、聲學自彎曲、非衍射貝塞爾光束、聲學聚焦和聲學隱形等新奇物理現象及應用成果。

例如，在聲學隱身方面，科學家們通過不同方法設計出了三維聲學隱身斗篷、二維的圓柱形聲學斗篷以及近乎完美的三維、寬頻帶、全方位地毯式聲學隱身斗篷等；在聲場傳輸模式調控上，利用聲學超材料實現了定向控制反射聲波、聲波漫反射、聲波傳輸帶隙調控以及水 - 空氣界面聲波的高效傳輸等；在聲場感知與成像研究中，也實現了聲聚焦、聲色散棱鏡以及聲學全息成像等功能。

我國在聲學超材料領域研究進展迅速，正處于由跟跑到并跑的地位轉變期，有香港科技大學沈平教授團隊、南京大學陳延峰教授團隊等一批優秀科研團隊，在聲學超材料的特性發掘以及基于其特性的器件研發與應用創新方面都開展了大量工作，在吸聲降噪、聲場調控、聲學聚焦、水聲通信等諸多領域取得了重要突破。

力學超材料：

力學超材料亦稱機械超材料，由聲學超材料衍生而來，其新奇的力學特性源于人工單元排列的幾何構型，通過合理設計結構布局可實現如超剛性、拉伸性、負熱膨脹和負壓縮性等前所未有的力學性能。盡管力學超材料的研究規模相對電磁超材料和聲學超材料較小，但也誕生了一些有代表性的創新應用成果。像美國弗吉尼亞理工大學 Zheng 教授研究團隊設計的金屬基質力學超材料，兼顧高強度和超低密度的特點，在多個領域有著巨大應用潛力；還有北卡羅來納州立大學 Yin 教授與耶魯大學 Zhang 教授團隊提出的 3D 剪紙超材料，具備功能可重構的獨特性能。

我國在力學超材料領域同樣深入開展研究，在國際上基本處于并跑地位，有北京理工大學方岱寧院士團隊、清華大學陳常青教授團隊等一批優秀團隊，在理論建模與特性研究方面做出了原創性貢獻，在應用創新方面也將超材料的特性優勢應用于力學材料構建，在抗沖減震、增材制備、力學隱身、結構輕質化等多個領域開展深入研究，為我國力學體系發展奠定基礎。

熱學超材料：

熱學超材料與聲和光的波動行為不同，熱傳導滿足的是擴散方程，其研究起步相對較晚。借鑒電磁超材料的設計思想，熱學超材料通過人工結構設計來實現熱導系數按需分布，進而推動新奇熱學現象的實現和熱學器件的研發。

例如，新加坡國立大學李保文和仇成偉教授團隊提出了熱二極管的理論模型，還有多個團隊在熱學隱身方面做了諸多工作，從理論提出到實驗驗證實現了不同形式的熱隱身斗篷以及具有熱幻象或熱偽裝功能的隱身斗篷等；在熱流傳輸方面，實現了熱流聚焦、均勻加熱、熱收集等功能，還提出了熱二極管、熱三極管、熱邏輯門和熱存儲器等多種熱信息器件模型。

我國在熱學超材料領域起步較晚，正處于從跟跑到并跑的地位提升關鍵期，復旦大學黃吉平教授團隊、哈爾濱工業大學李垚教授團隊等一批團隊在熱學超材料的原理探究與性能發掘以及應用開發方面開展工作，為我國熱學超材料領域的發展貢獻力量。

三、超材料在不同層面的地位和作用

科學研究層面：

超材料技術的誕生顛覆了物理學的傳統認知，改變了材料學的構建方式，在科學共同體中產生了巨大影響，多次被《科學》等權威雜志評為“全球十大科技突破”之一。例如，負折射率左手材料的相關研究入選《科學》雜志評選的“2003 年全球十大科技突破”；隱形斗篷相關工作入選“2006 年全球十大科技突破”；光學無色差超透鏡工作入選“2016 年全球十大科技突破”等，足見其在科學探索領域的重要地位。

應用研究層面：

超材料極大地改變了材料器件的設計模式，有望突破傳統信息技術的系統架構，構建技術領域的非對稱優勢，引起了各國廣泛關注。

民生產業層面：

以信息超材料為代表的新一代超材料技術演進有助于促進產業升級，推動產業變革。在移動通信領域，信息超材料被認為是未來 6G 移動通信的重要使能技術之一，可突破現有通信技術的諸多桎梏，為提供更優質的通信服務奠定基礎。此外，超材料技術還將廣泛應用于醫療檢測、遙感遙測、傳感成像和人工智能等諸多產業領域，有望促進各領域產業技術的迭代升級，國外多家民用領域商業巨頭也成立聯合研究基金支持其研發探索。

四、我國超材料技術發展現狀與支持

我國雖然在超材料領域起步略晚，但后來居上，涌現出了一批具有行業影響力的超材料研究團隊，例如南京大學祝世寧院士團隊、北京大學龔旗煌院士團隊等，誕生了一系列有代表性意義的科研成果，涵蓋了光學超材料、全介質超材料、太赫茲超表面等多個方面，為我國超材料技術趕超國際前沿提供了原始驅動力。

我國政府對超材料技術予以了高度的關注，在 2016 年 3 月，“十三五”規劃綱要明確提出，需要大力發展以超材料為代表的新型功能材料，這標志著推動超材料領域發展已經上升為國家戰略。并且，“863 計劃”“973 計劃”、國家自然科學基金重大項目和重點項目、“變革性技術”國家重點研發計劃項目等重大科學研究項目都給予了大力支持，培養了大批科研人才，促進了諸多創新性研究成果的誕生，覆蓋多個學科領域，也為解決多項“卡脖子”問題提供了可行途徑。

五、超材料的未來發展方向與挑戰

發展超材料的集成化技術：

目前超材料研究往往側重于單一物理性能的突破，對其他物理性能缺乏綜合考量，導致難以應用于實際系統平臺。要突破這一障礙就需要發展超材料集成技術，包括關注超材料本身多種物理功能兼容的內在集成技術以及與系統其他功能模塊高度配合的外部集成技術。

在內在集成技術方面，理論上要著力發展多物理場聯合調控的理論方法，研究不同物理場激勵下超材料響應的演變規律以及多條件約束下的綜合性能優化方法；技術上著重發展結構與材料一體化設計方案，探索與其他高性能基礎材料的有機融合方式以及特殊構型條件下的高效加工方法。外部集成技術則在理論上需全力發展嶄新的超材料系統觀，研究超材料功能參數的整體系統效應以及超材料模塊與其他系統模塊間相互作用的規律；技術上聚力發展超材料與系統平臺的集成技術方案，探索適應平臺的物理嵌合方法及信息融合方法。

發展信息化、智能化超材料：

信息超材料雖構建了數字信息與物理場操控之間的有效映射，但現有研究在信息感知與信息處理方面涉及較少，尚未形成全信息流程的閉環，對傳統系統架構的顛覆性效用未完全發揮。未來需進一步發展認知超材料和智能超材料。

實現認知超材料要在理論層面深度挖掘融合物理場操控與數字信息處理的全新信息理論，技術層面有效集成感知和處理模塊，打通信息超材料的全信息鏈能力，這有望突破現有信息理論限制，創造全新的信息系統構建范式。而實現智能超材料則要在理論層面突破現有人工智能理論局限，開發融合底層物理與上層算法的物理智能理論，技術層面探求多層信息超表面交互技術，構建多層神經網絡物理實體，其有可能成為未來“人工腦”的使能技術。

工作頻段和方向控制及產業化發展：

從工作頻段和方向控制來看，目前超材料的頻段還只能達到紅外層次，多數負折射率材料僅能在某些角度實現負折射現象，要實現更好隱身等功能，需覆蓋整個可見光波段并實現各向同性特性，這是未來重要的研究課題。

同時，超材料技術目前處于實驗室到產品中試階段，距離大規模產業化還有差距，需要研究大規模制造大體積超材料的方法。當前實驗室僅掌握平面超材料制造工藝，立體超材料以及大面積表面工藝都有待突破，實現大規模制造是超材料廣泛應用的重要前提。

此外，新型超材料及其功能的設計、性能優化及相關模擬仿真方法，還有不同超材料之間相互作用的研究等也都是未來超材料發展需要關注的方向，這些研究能推動相關新理論、技術、方法的發展，超材料吸波體的研究已展現出巨大的應用潛力。

總之，超材料作為近幾十年來材料科學、電子科學以及信息科學領域的前沿熱點，有著顛覆性的結構功能一體化特點和廣闊的應用前景，我國在該領域已取得顯著成績，未來通過不斷攻克難題、持續創新，有望借助超材料技術實現產業的彎道超車，推動我國相關產業蓬勃發展，達成《中國制造 2035》的宏偉目標。

原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_562552.html
來源：賢集網
著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。

久久精品免费观看_欧美日韩精品电影_91看片一区_日日夜夜天天综合