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來源：互聯(lián)網(wǎng)

超材料（Metamaterial），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，是與自然界物質(zhì)的物理性質(zhì)迥然不同的“新物質(zhì)”，是材料科學(xué)技術(shù)的研究熱點和前沿。超材料主要通過設(shè)計和改變物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)制成。作為人工復(fù)合材料，超材料能夠通過人為設(shè)計和控制，以全新的方式對光（聲）進行折射和操控，進而創(chuàng)造多種不尋常的光（聲）學(xué)效果。2010年，超材料被美國《科學(xué)》雜志評為21世紀前10年10項重大科學(xué)進展之一。

1968年，蘇聯(lián)的科學(xué)家V. Veselago提出超材料相關(guān)核心思想；1996-1999年，英國的J. Pendry提出超材料構(gòu)建新思路；2003年，Pendry提出實現(xiàn)負介電常數(shù)、可調(diào)負磁導(dǎo)率的理論推論，左手材料入選《Science》年度十大科學(xué)進展；2006年，Pendry設(shè)計零折射率超材料，“隱身斗篷”相關(guān)成果再度入選《Science》年度十大科學(xué)進展；2018年，中國科學(xué)院中國科學(xué)院聲學(xué)研究所制備出三維水下聲學(xué)隱身毯樣品；2023年，熱隱身超材料、超材料透聲裝置取得突破。

依據(jù)廣義相對論中時空和光線可彎曲的理論，科學(xué)家借助超材料的微納人工結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了對光波、雷達波等多種波的彎曲操控。超材料可分為電磁、聲、熱等類別，包括負折射率材料、光子晶體、聲學(xué)超材料等。其涉及電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等學(xué)科。超材料在隱身、電子對抗、雷達等領(lǐng)域應(yīng)用成果顯著，尤其軍事隱身應(yīng)用實現(xiàn)了真正意義上的隱身。

名稱由來

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(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料?！?/p>

“Metamaterial”一詞是由美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校奧斯汀分校Rodger M. Walser教授于1999年提出的，用來描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。2000年以后，這一概念越來越頻繁地出現(xiàn)在各類科學(xué)文獻中，并迅速發(fā)展出跨越電磁學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的前沿交叉學(xué)科和公認的新型功能材料分支。

歷史沿革

1968年，蘇聯(lián)理論物理學(xué)家V. Veselago提出了最早與超材料相關(guān)的思想，他認為如果一種材料同時具有負的介電常數(shù)和負的磁導(dǎo)率，那么它將會使光波看起來如同倒流一般，而這一材料一經(jīng)發(fā)現(xiàn)勢必會顛覆整個光學(xué)世界。然而，由于自然界中并未發(fā)現(xiàn)這種介質(zhì)的存在，隨后20多年里，這一猜想幾乎被人遺忘。

1996-1999年，英國物理學(xué)家J. Pendry將Veselago的思想引入了負介電常數(shù)和負磁導(dǎo)率的材料構(gòu)造中，提出了一個創(chuàng)新性的思路：一種材料可以擁有一些細小的單元，通過單元之間的合力產(chǎn)生原本不可能出現(xiàn)的效應(yīng)，并以此做出了超材料構(gòu)建的嘗試。隨著科學(xué)界多方面的質(zhì)疑和爭議，有關(guān)超材料的研究更加活躍，在理論和實驗研究中實現(xiàn)了多項突破，如“完美透鏡”的提出、負折射現(xiàn)象的驗證等。2000年，劉政猷等首次提出了利用局域共振型的結(jié)構(gòu)單元來構(gòu)建聲學(xué)超材料，迅速引起眾多研究人員的關(guān)注。

2001年，杜克大學(xué)D. Smith根據(jù)Pendry的理論模型，將周期性排列的細金屬棒（Rod）和金屬諧振環(huán)（SRR）有規(guī)律地排列在一起，制成了世界上第一塊介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負值的人造材料——左手材料，并首次從實驗上證明了左手材料的存在，引發(fā)了科學(xué)界對左手材料的熱切關(guān)注。同年，超材料作為獨立學(xué)科正式出現(xiàn)。2003年，Pendry通過理論計算得出了兩個重要推論：①間距在毫米級金屬細線的格子中具有類似等離子體的物理行為，共振頻率在GHz與低于此頻率時介電常數(shù)出現(xiàn)負值；②利用非磁性導(dǎo)電金屬薄片構(gòu)成開環(huán)共振器組成的方陣，可實現(xiàn)負磁導(dǎo)率的可調(diào)節(jié)。這一理論為人工實現(xiàn)超材料帶來了可能。同年，左手材料被Science雜志評為當(dāng)年的“十大科學(xué)進展”。

2006年，Pendry又設(shè)計了零折射率超材料，可用于制備“隱形斗篷”。此外，美國哥倫比亞大學(xué)機械工程系副教授王政等將正折射率和負折射率結(jié)合在一起，實現(xiàn)了對光子相位的精確控制，研制出一種能操縱光的折射率并能完全控制光在空氣中的傳播的光納米結(jié)構(gòu)，并證明光能從某一點傳到另一點而毫無相變地穿過人造傳播媒介，就好像該媒介并不存在一樣。同年底，由于“隱身斗篷”功能的成功實現(xiàn)，Science雜志再一次將之列為當(dāng)年的“十大科學(xué)進展”。

從2007年開始，杜克大學(xué)就提出二維和三維“聲學(xué)斗篷”的可行性，使聲波能夠繞過斗篷下的物體傳播，并后續(xù)研制出樣件。2015年，愛荷華州立大學(xué)研發(fā)了一種柔性、可伸縮的超材料蒙皮，可幫助物體躲過雷達的偵察。2018年，中國科學(xué)院中國科學(xué)院聲學(xué)研究所首次成功制備出三維水下聲學(xué)隱身毯樣品。2023年，華中科技大學(xué)與新加坡國立大學(xué)合作，通過預(yù)先訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)模型，提出了深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料拓撲優(yōu)化方法，設(shè)計了多種具有自由形狀、背景溫度獨立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過數(shù)值仿真和熱學(xué)試驗驗證了其良好的熱隱身效果。

2023年，日韓科學(xué)家發(fā)明超材料透聲裝置，可將水聲高效轉(zhuǎn)化為空氣聲。超材料受到主要軍事強國高度關(guān)注，美國國防部將超材料列為重點關(guān)注的六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，其資助開發(fā)的多種超材料在隱身、成像探測、通信等方面的可行性已經(jīng)驗證，英國BAE系統(tǒng)公司將超材料作為未來新技術(shù)研發(fā)的重要組成部分，日本和俄羅斯將超材料列為下一代隱身戰(zhàn)斗機的核心關(guān)鍵技術(shù)。截至2025年，超材料領(lǐng)域進入深入研究階段，其熱度有增無減。在前人基礎(chǔ)上，超材料的理論和實驗研究都取得了許多新突破，超材料領(lǐng)域處于從科學(xué)研究到大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵時期。

基本原理

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(shè)計并制作出足夠小的“設(shè)備”。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，通過不同的結(jié)合結(jié)構(gòu)和排列設(shè)計制造出各種超材料，實現(xiàn)了讓光波、雷達波、無線電、聲波甚至地震波彎曲的夢想。

超材料的應(yīng)用與原有的材料制備有很大的區(qū)別，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向設(shè)計，根據(jù)針對電磁波的具體應(yīng)用需求，制造出具有相應(yīng)功能的材料。

主要特征

超材料具有三個重要特征：

1、通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；

2、具有超常的物理性質(zhì)；

3、其性質(zhì)往往不來源于構(gòu)成該人工結(jié)構(gòu)的材料自身，而僅僅決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。

典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等已在光學(xué)、通信、國防等應(yīng)用領(lǐng)域嶄露頭角，而為數(shù)眾多的電磁超材料、力學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、熱學(xué)超材料以及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料相繼出現(xiàn)，形成了新材料的重要生長點。從本質(zhì)上講，超材料是一種新穎的材料設(shè)計思想，這一思想的基礎(chǔ)是通過多種物理結(jié)構(gòu)設(shè)計來突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超常的材料功能。

種類

超材料可分為電磁、聲、熱等類別，包括負折射率材料、光子晶體、聲學(xué)超材料等。負折射率材料可對電磁波進行調(diào)控，具有反向折射和透波隱身功能；光子晶體具有頻率選擇特性，可以阻止某些頻率的光波在其中傳播；聲學(xué)超材料能夠?qū)崿F(xiàn)聲波的負折射、聲聚焦、超透鏡、隱身等功能。

金屬水

“金屬水”是一種水聲隱身超材料，一般以金屬為基材，因其力學(xué)性能與水接近而得名?？赏ㄟ^亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制聲波平滑地繞過其覆蓋的物體，降低反射聲波的能量，從而實現(xiàn)水聲隱身。與傳統(tǒng)隱身材料相比，“金屬水”具有作用帶寬、低頻優(yōu)勢明顯和全方位水聲隱身等特點。美國國防部于2024年研發(fā)“金屬水”水聲隱身超材料，由美國海軍研究辦公室主管、美國威德林格公司牽頭，美國海軍研究實驗室、海軍水下作戰(zhàn)中心等共同參與。其技術(shù)成果正在核潛艇、水雷上進行測試和應(yīng)用。

仿生塑料

人體具備自我修復(fù)能力，但建筑環(huán)境卻并不具備這種能力。2014年，伊利諾伊大學(xué)的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當(dāng)出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫。

熱電材料

對于任何一部會使用能源的設(shè)備來說，廢熱的產(chǎn)生都是不可避免的。根據(jù)估算，人類所使用的所有能源當(dāng)中有2/3都以廢熱的形式流失了。2014年，一家名為字母控股能量的公司開發(fā)出了一種熱點發(fā)電機，它可被直接插入普通發(fā)電機的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達到5-10%的能效。

在實驗室當(dāng)中，科學(xué)家們已經(jīng)在研究另一種具備可發(fā)展前景，甚至能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用——比如在太空飛船上——但方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。

電磁超材料

電磁超材料作為一類新型人工材料，具有與常規(guī)材料迥異的奇特電磁特性（如負介電常數(shù)、負磁導(dǎo)率、負折射率等）。這類材料顛覆了傳統(tǒng)電磁理論描述的若干規(guī)則，有望成為新的學(xué)科生長點，引發(fā)信息技術(shù)等領(lǐng)域的重大技術(shù)變革。作為超常電磁介質(zhì)的主流技術(shù)，基于金屬諧振單元的超材料取得了重大成功，被Materials Today雜志評選為材料50年10項重大突破之一。

鈣鈦礦

成本是制約可再生能源發(fā)展的核心障礙。太陽能發(fā)電成本雖呈下降趨勢，但傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池的制備仍存在成本高、能耗大的問題。鈣鈦礦是可替代晶體硅制作太陽能電池的材料。

鈣鈦礦是一類由特定晶體結(jié)構(gòu)定義的材料類別，其組分可包含多種元素，應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域的鈣鈦礦材料一般以鉛、錫為主要組分。2009年，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為3.8%；至2014年，該指標(biāo)提升至19.3%。相較于傳統(tǒng)晶體硅太陽能電池超20%的轉(zhuǎn)換效率，科研人員認為鈣鈦礦材料的光電轉(zhuǎn)換效率仍有提升空間。與晶體硅相比，鈣鈦礦的原材料成本更低，且可通過噴涂方式附著于玻璃基底，無需在潔凈環(huán)境中完成組裝。

氣凝膠

氣凝膠看上去似乎是一種不真實的材料。盡管看上去空虛飄渺，但它卻能輕松承受一盞噴燈的熱量，或是一輛汽車的重量。這是一種液體被空氣完全替換的膠體，看上去就像是一團煙。氣凝膠可由任意數(shù)量的物質(zhì)所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結(jié)構(gòu)也賦予其超高的強韌性。

氣凝膠也有一個致命的缺陷：脆性，特別是原材料為二氧化硅時。但美國航空航天局的科學(xué)家已經(jīng)在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。將其他化合物加入到微細二氧化硅氣凝膠可增強其柔韌性，再加上本身的輕巧、強韌和絕緣性，這將會使其成為一種不可思議的材料。

光操縱器

光操縱器的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對光線進行散射，它或許真的可以讓物體隱形。光操縱器不光能對可見光進行重新導(dǎo)向。根據(jù)制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。比如說，如果用超材料制作一部新型的T射線掃描儀，它的性能可隨時改變，無論是被用在醫(yī)療還是安全領(lǐng)域。

錫烯

與石墨烯類似，錫烯（Stanene）同樣是一種單原子層結(jié)構(gòu)材料。二者的核心區(qū)別在于構(gòu)成原子的種類——錫烯由錫原子構(gòu)成，而非石墨烯的碳原子，這一差異賦予錫烯一項石墨烯難以企及的特性，即100%的電導(dǎo)率。

2013年，斯坦福大學(xué)張首晟教授團隊首次從理論層面提出錫烯的概念。對這類材料電子特性的理論預(yù)測，正是該實驗室的核心研究方向之一。根據(jù)團隊建立的模型，錫烯屬于拓撲絕緣體，其材料內(nèi)部呈絕緣態(tài)，邊緣則為導(dǎo)電態(tài)，這一獨特結(jié)構(gòu)使其能夠在室溫環(huán)境下實現(xiàn)零電阻導(dǎo)電。

應(yīng)用研究

在多個項目的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列新進展。例如，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學(xué)合作完成了負折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；加利福尼亞州大學(xué)完成了利用負折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；普渡大學(xué)和諾福克州立大學(xué)合作完成了負折射率材料對光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學(xué)研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的研究團隊制造出了全球首個非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強；2014年，法國國家科學(xué)研究中心和法國波爾高等化學(xué)物理學(xué)院的研究人員通過結(jié)合物理化學(xué)組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個三維超材料。

在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國家和機構(gòu)啟動了多項研究計劃。如DARPA實施的負折射率材料研究計劃；杜克大學(xué)開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助計劃資助，對超材料技術(shù)進行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。截至2020年，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。

超材料在隱身、電子對抗、雷達等領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。

隱身是出鏡率最高的超材料應(yīng)用，也是超材料技術(shù)研究最為集中的方向，如美國的F-35戰(zhàn)斗機與DDG1000大型驅(qū)逐艦均應(yīng)用了超材料隱身技術(shù)。超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應(yīng)用潛力，在各類飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面得到廣泛應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術(shù)的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術(shù)上實現(xiàn)真正意義上的隱身。

電磁隱身

在電磁隱身方面，2006年，杜克大學(xué)與英國帝國學(xué)院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設(shè)計方案，這種設(shè)計方案由10個同心圓筒組成，采用矩形開口環(huán)諧振器單元結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果證實負折射率材料用于物體的隱身是可行的。2012年，東北大學(xué)采用摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設(shè)計和試驗了可在33～44吉赫茲電磁波段實現(xiàn)可調(diào)的負折射率材料。雷神公司開發(fā)了“透波率可控人工復(fù)合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微結(jié)構(gòu)頻率選擇表面，通過控制加載在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數(shù)，從而實現(xiàn)材料透波特性的人工控制，可應(yīng)用于各種先進雷達系統(tǒng)和下一代隱身戰(zhàn)機的智能隱身蒙皮。

光學(xué)隱身

在光學(xué)隱身方面，2012年，加拿大超隱形生物公司發(fā)明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發(fā)生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助世界十大特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機、艦艇和坦克上應(yīng)用。2014年，佛羅里達大學(xué)的研究團隊研制出一種可實現(xiàn)可見光隱身的超材料，實現(xiàn)這一技術(shù)突破的關(guān)鍵是利用納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制造出一種多層三維超材料。納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現(xiàn)隱身。

聲隱身

在聲隱身方面，2011年，杜克大學(xué)卡默爾教授的團隊開發(fā)出一種二維聲學(xué)斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測到。2014年3月，杜克大學(xué)制造出世界上首個三維聲學(xué)斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使單射聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑?，不反射也不透射，實現(xiàn)對探測聲波的隱身。三維聲學(xué)斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，能在3千赫茲的聲波下表現(xiàn)出完美的隱身效果，驗證了聲學(xué)斗篷應(yīng)用于主動聲吶對抗的可行性。此外，美海軍自主開發(fā)一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術(shù)，制造一種六角形晶胞結(jié)構(gòu)的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內(nèi)，實現(xiàn)對聲波引導(dǎo)，達到隱身目的。聲隱身超材料技術(shù)的發(fā)展將對潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，有可能改變未來水下戰(zhàn)場的“游戲”規(guī)則。

觸覺隱形

除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員利用機械超材料制成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術(shù)，可以欺騙人體和探測設(shè)備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設(shè)計的次微米精度的晶體結(jié)構(gòu)。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術(shù)雖然還在純粹的基礎(chǔ)物理研究階段，但是會為國防應(yīng)用開辟一條新路。

天線與天線罩

天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應(yīng)用到導(dǎo)彈、雷達、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。

天線方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化GPS天線，通過精確的人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應(yīng)用于對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人便攜式戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航終端。2011年2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一種新型電磁超材料，可用于在喇叭形衛(wèi)星天線上，使產(chǎn)品體積更小，制造成本更低，并能夠顯著提高航天器天線的性能。2014年，英國BAE系統(tǒng)公司開發(fā)出一種可用于無人機通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線后進行聚焦，在實現(xiàn)對電磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬帶性能，克服了傳統(tǒng)拋物面天線變?yōu)槠矫嫣炀€所帶來的帶寬損失、低增益等問題，同時可實現(xiàn)一個天線替換多個天線，減少天線的數(shù)量。這一技術(shù)突破可能使飛機、艦艇、衛(wèi)星等天線的設(shè)計產(chǎn)生劃時代的變革。

雷達天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發(fā)出雷達罩用超材料智能結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于美軍新一代的E2“鷹眼”預(yù)警機，大幅提高了其雷達探測能力。通過采用超材料的特殊設(shè)計，該項目提供了解決傳統(tǒng)雷達罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，方便后期的改裝和維護，提高了E2“鷹眼”預(yù)警機的整體性能。

導(dǎo)彈天線罩方面，雷神公司研制了基于超材料的導(dǎo)彈天線罩，可以使穿過導(dǎo)彈天線罩的電磁波不產(chǎn)生有效折射，有效提高導(dǎo)彈打擊精度。

用于制作光學(xué)透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應(yīng)用于微量污染物質(zhì)探測、醫(yī)學(xué)診斷成像、單分子探測等領(lǐng)域；高定向性透鏡主要應(yīng)用于透鏡天線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領(lǐng)域；高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡主要應(yīng)用于集成電路的光學(xué)引導(dǎo)原件等領(lǐng)域。2012年，美國密西根大學(xué)完成一種新型超材料透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內(nèi)工作性能良好。

研究現(xiàn)狀

國際發(fā)展

各國科研實驗室中，已誕生多項頗具突破性的材料發(fā)明成果。

美國科研人員研發(fā)出一款可回彈陶瓷管，與傳統(tǒng)脆性硬質(zhì)陶瓷截然不同，該陶瓷管在承受50%的壓縮形變后仍可恢復(fù)原狀。這類高性能陶瓷能夠在傳統(tǒng)材料難以勝任的極端場景中發(fā)揮效用，例如用作航天飛機或噴氣式發(fā)動機的隔熱部件。

2006年，美國北卡羅來納州杜克大學(xué)與英國倫敦帝國理工學(xué)院的研究團隊打破傳統(tǒng)認知，利用超材料實現(xiàn)了物體在微波頻段的隱身效果。盡管相關(guān)技術(shù)仍需攻克諸多難題，但這一成果首次為普通物體的隱身提供了可行方案。該研究項目由美國五角大樓國防高級研究計劃局（DARPA）資助。

德國科研團隊采用“直接激光平版光刻”技術(shù)，制備出由微型塑料棒構(gòu)成的隱身材料薄片。將這種材料覆蓋于物體表面后，在紅外相機的觀測視角下，材料可改變周邊光線的傳播速度，進而使自身與被覆蓋物體一同“消失”。包括美國國防高級研究計劃局在內(nèi)的軍方機構(gòu)，正著力研發(fā)此類隱身技術(shù)，以期實現(xiàn)軍用飛機在雷達探測范圍內(nèi)的隱身目標(biāo)。

法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過在超材料墻體與地面上進行精準(zhǔn)打孔，能夠?qū)崿F(xiàn)對地震波的引導(dǎo)與轉(zhuǎn)移，使地震和海嘯偏離建筑物或城鎮(zhèn)，從而達成減災(zāi)防護的目的。

荷蘭科研人員則研制出一種力學(xué)性能可編程的智能橡膠。通過內(nèi)置微型開關(guān)的調(diào)控與特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種智能橡膠可實現(xiàn)類似海綿的軟硬狀態(tài)切換，甚至能在外力擠壓下完成兩種狀態(tài)的快速轉(zhuǎn)換。依托這項材料技術(shù)，可感應(yīng)地面軟硬程度并自動調(diào)節(jié)性能的智能鞋履，有望在不久后成為現(xiàn)實。

中國發(fā)展

相較于多數(shù)國家超材料領(lǐng)域發(fā)展模式較為分散的現(xiàn)狀，中國采取了更為集中、高效的發(fā)展路徑，聚焦核心方向發(fā)力突破。在國家層面，超材料研究已獲得多重科研項目支撐，先后被納入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項等立項范疇，為技術(shù)研發(fā)提供了堅實保障?；A(chǔ)研究領(lǐng)域，中國企業(yè)在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)、介質(zhì)基超材料及聲波負折射等方向斬獲多項原創(chuàng)性成果，在全球超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中搶占了先發(fā)優(yōu)勢。

劉若鵬是中國超材料領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物之一，他曾赴美深造，其關(guān)于新型超材料寬頻帶隱身衣的研究論文已發(fā)表于《科學(xué)》雜志。2010年，劉若鵬博士帶領(lǐng)5人留學(xué)生團隊回國創(chuàng)業(yè)，創(chuàng)辦深圳光啟高等理工研究院。經(jīng)過數(shù)年深耕，該企業(yè)在全球范圍內(nèi)累計申請超2800件超材料相關(guān)專利，專利數(shù)量約占全球該領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?6%，構(gòu)筑了堅實的技術(shù)壁壘。同時，光啟在超材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上走在世界前沿，率先布局智慧社區(qū)、無線互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域，建成全球首條超材料微結(jié)構(gòu)精試線——該生產(chǎn)線設(shè)備定制化率達70%，可實現(xiàn)2微米級工藝精度，還同步搭建了超材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程，填補了行業(yè)空白。

以光啟研發(fā)的電磁超材料天線為例，這款可折疊至筆記本大小、印有江南水鄉(xiāng)風(fēng)景畫的電路板，能讓飛機、火車、輪船、汽車等交通工具，在移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的偏遠區(qū)域順暢連接衛(wèi)星寬帶。與傳統(tǒng)碟形天線需固定朝向追蹤單顆衛(wèi)星不同，該天線可靈活捕捉天空中任意位置的衛(wèi)星信號，適配性與實用性大幅提升。從產(chǎn)業(yè)化進度來看，美國同類產(chǎn)品于今年才啟動商業(yè)銷售計劃，而光啟的這款天線早在3年前就已在國內(nèi)22個省份完成安裝試用，凸顯出中國在超材料應(yīng)用轉(zhuǎn)化上的領(lǐng)先優(yōu)勢，這也是中美近年來在超材料核心領(lǐng)域激烈競爭的一個縮影。

此外，為打破歐美在超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的壟斷格局，上月，全國電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會完成了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語》的審查與報批工作。這標(biāo)志著中國成為全球首個制定超材料領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)的國家，該標(biāo)準(zhǔn)的出臺將為中國超材料技術(shù)研究、成果轉(zhuǎn)化及標(biāo)準(zhǔn)落地提供重要支撐，進一步鞏固中國在該領(lǐng)域的話語權(quán)。

發(fā)展前景

超材料對光波、電磁波的操控性能，以及利用手性材料設(shè)計出新穎獨特的結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)特異光電性能的能力，在電磁隱身、光隱身等方面應(yīng)用潛力巨大，在飛機蒙皮、雷達罩等方面將得到廣泛應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。

超材料應(yīng)用于軍用天線上，可大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。

超材料用于制作小型激光器，可大幅提升軍用傳感與安全通信的性能。例如，利用光子晶體作為天線基底可實現(xiàn)無損全反射，光子晶體微腔可以實現(xiàn)體積非常小的激光器，光子晶體超棱鏡分光能力比常規(guī)棱鏡強100倍，在空心光子晶體光纖中光能以99.7%的光速傳輸。

此外，超材料的特性可應(yīng)用于其他功能性器件的開發(fā)，如納米波導(dǎo)、特殊要求的波束引導(dǎo)元件、表面等離子體光子芯片、濾波器、耦合器、調(diào)制器和開關(guān)，亞波長光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、新型光源、超衍射極限高分辨成像、納米光刻技術(shù)、生物傳感器、探測器的元器件等。超材料是材料開發(fā)設(shè)計思想的創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)上以化學(xué)成分調(diào)控材料性能的設(shè)計思路，轉(zhuǎn)而從材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，實現(xiàn)了常規(guī)天然材料所不具備的超常物理性能。超材料擴展了器件的功能，由此可以帶來武器裝備性能提高和武器裝備設(shè)計自由度的拓寬，這會帶來航空裝備的變革，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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