你只看到我的技術(shù)突破，卻沒看到我的神秘莫測(cè)；

你有你的折射規(guī)則，我有我的介質(zhì)選擇；

你驚詫于電磁黑洞光子晶體，我告訴你慢波結(jié)構(gòu)和隱身衣；

你曾忽視Veselago的疑猜，我決定材料科學(xué)的將來；

你可以輕視我們的年輕，我們會(huì)證明這是誰(shuí)的時(shí)代。

創(chuàng)新，是注定孤獨(dú)的旅行，路上少不了汗水和障礙。

但，那又怎樣？

哪怕經(jīng)費(fèi)高昂，也要直指希望。

我是超材料，我為自己代言。

什么是超材料？

中學(xué)時(shí)老師告訴我們，當(dāng)一束光從空氣斜射入水中，入射光與折射光應(yīng)該在法線兩側(cè)。那么，是否存在這樣一種介質(zhì)，當(dāng)光入射其中，入射光與折射光位居法線同側(cè)？

1968年，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)發(fā)現(xiàn)，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)，與常規(guī)材料不同，從而在理論上預(yù)測(cè)了上述“反常”現(xiàn)象。超材料的概念便源于此。

Metamaterial，其中拉丁語(yǔ)詞根“meta-”表示“超出、另類”等含義，因此一般文獻(xiàn)中給出超材料的定義是“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。”但實(shí)際上，到目前超材料還沒有統(tǒng)一定義。那超材料到底是什么？我們從其特征就能做出判斷：

具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；具有常規(guī)（或傳統(tǒng)）材料不具備的超常物理性質(zhì)；超常物理性質(zhì)主要由新奇的人工結(jié)構(gòu)決定；新奇的人工結(jié)構(gòu)包括單元結(jié)構(gòu)（人工原子和人工分子）和單元結(jié)構(gòu)集合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)兩個(gè)層次。

隱身衣是近年來出鏡率最高的超材料應(yīng)用，電磁超材料是迄今為止超材料技術(shù)研究最為集中的方向，典型的超材料還包括左手材料、光子晶體和非正定介質(zhì)等，聽起來都非常“科幻”。

由于20世紀(jì)60年代沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加之時(shí)值功能材料處于發(fā)展初期，立足于原子、分子層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控的傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)思想，在新型功能材料研發(fā)中仍有強(qiáng)大的生命力，因此，人們對(duì)菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)未予以高度重視。

隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對(duì)稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設(shè)計(jì)新思路，成為新材料研發(fā)的重要任務(wù)。菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)重新回到人們視線。

超材料是材料設(shè)計(jì)思想上的重大創(chuàng)新，對(duì)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)域可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，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。

從負(fù)折射率到電磁黑洞

2001年，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的史密斯教授等人在實(shí)驗(yàn)室制造出世界上第一個(gè)負(fù)折射率的超材料樣品，并實(shí)驗(yàn)證明了負(fù)折射現(xiàn)象與負(fù)折射率。翌年，美國(guó)加州大學(xué)Itoh教授和加拿大多倫多大學(xué)Eleftheriades教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組幾乎同時(shí)提出一種基于周期性LC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)超材料的新方法。

2002年底，麻省理工學(xué)院的孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，并稱之為“導(dǎo)向介質(zhì)”，他預(yù)言了這種人工材料在高指向性的天線、聚焦微波波束、“完美透鏡”、電磁波隱身等方面的應(yīng)用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大學(xué)的科研小組設(shè)計(jì)、制造了著名的“隱身大衣”，并成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證明。2009年又出現(xiàn)了寬頻帶的隱身衣。2010年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電磁黑洞。

光子晶體、左手材料、隱身衣等超材料研究成果被美國(guó)《科學(xué)》雜志先后于2000年、2003年、2006年選為年度10項(xiàng)重大進(jìn)展之一。《Materials Today》雜志在2008年將超材料評(píng)為材料科學(xué)50年中的10項(xiàng)重要突破之一。2010年，《科學(xué)》雜志又將超材料列入本世紀(jì)前十年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一。

目前，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。歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域最頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額的經(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，支持了至少有兩個(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。

重大創(chuàng)新將產(chǎn)生重大效益

近10年來，超材料研究之所以能引起全世界的高度關(guān)注，源自于超材料所體現(xiàn)的材料設(shè)計(jì)思想的重大創(chuàng)新，以及這一創(chuàng)新將產(chǎn)生的重大效益。

首先，通過材料結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生具有重大軍用、民用價(jià)值的新技術(shù)、新材料，促進(jìn)甚至引領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展；然后利用超材料設(shè)計(jì)思想，提升傳統(tǒng)材料性能，突破稀缺資源瓶頸，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和結(jié)構(gòu)調(diào)整。

電磁超材料實(shí)現(xiàn)，使我們繼利用半導(dǎo)體自由調(diào)控電子傳輸之后，首次具備了自由調(diào)控電磁波的能力。這對(duì)未來的新一代通信、光電子/微電子、先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)以及隱身、探測(cè)、核磁、強(qiáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)能及微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

隱身衣是一種以開口諧振環(huán)為單元結(jié)構(gòu)、非均勻方式排列成圓環(huán)結(jié)構(gòu)的超材料，其應(yīng)用大家不言自明。

“電磁黑洞”是一種能夠全向捕捉電磁波的電磁超材料，能引導(dǎo)電磁波在殼層內(nèi)螺旋式地行進(jìn)，直至被有耗內(nèi)核完全吸收，使基于引力場(chǎng)的黑洞很難在實(shí)驗(yàn)室里模擬和驗(yàn)證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅將為太陽(yáng)能利用技術(shù)增加新的途徑，產(chǎn)生全新的光熱太陽(yáng)能電池，還能應(yīng)用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號(hào)探測(cè)能力，因而在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、衛(wèi)星等方面獲得廣泛的應(yīng)用。

慢波結(jié)構(gòu)是一種能使電磁波減速甚至停止的電磁超材料，不僅可應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電、高分辨紅外熱成像技術(shù)，還可應(yīng)用于光緩存和深亞波長(zhǎng)光波導(dǎo)，極大增強(qiáng)非線性效應(yīng)，促進(jìn)光電技術(shù)的發(fā)展。

超材料透鏡是一種可實(shí)現(xiàn)高定向性輻射的電磁超材料，可用于制造先進(jìn)的透鏡天線、新型龍伯透鏡、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等。

此外，如將超材料設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于常規(guī)材料，可在顯著提高材料綜合性能的同時(shí)，大幅度減少稀缺元素用量，為提升傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)提供了新的技術(shù)途徑。例如，常規(guī)軟磁與硬磁材料按特定的空間排布方式復(fù)合、普通碳鋼與高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空間排布方式復(fù)合，可在不使用釹、鉻、鎳等稀缺金屬的情況下，使磁性材料的磁能級(jí)成倍提高，而耐磨鋼的耐磨性與強(qiáng)韌性矛盾得到很好解決。

我國(guó)超材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)政府對(duì)超材料技術(shù)予以了高度關(guān)注，分別在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等科技計(jì)劃中予以立項(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，已取得原創(chuàng)性成果。

浙江大學(xué)在光波和超低頻超材料領(lǐng)域取得了一系列有影響的成果，發(fā)展出了基于慢波來設(shè)計(jì)超薄、寬吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隱身、磁共振成像和靜磁場(chǎng)增強(qiáng)方面的應(yīng)用。

東南大學(xué)研究了均勻和非均勻超材料對(duì)電磁波的調(diào)控作用，提出了電磁黑洞和新型超材料隱身器件，發(fā)展出了雷達(dá)幻覺器件、遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨率成像透鏡、新型天線罩、極化轉(zhuǎn)換器等新型超材料器件。

清華大學(xué)研究介質(zhì)基和本征型超材料，提出了通過超材料與自然材料融合構(gòu)造新型功能材料思想，發(fā)展出了基于鐵磁共振、極性晶格共振、稀土離子電磁偶極躍遷以及Mie諧振的超常電磁介質(zhì)超材料。

深圳光啟研究院則在國(guó)際上率先推進(jìn)了超材料產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)出超材料平板式衛(wèi)星天線，在22個(gè)省市進(jìn)行了測(cè)試，并在北京、天津等地得到了實(shí)際應(yīng)用。

超材料的未來發(fā)展方向

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現(xiàn)因技術(shù)的進(jìn)一步突破取得更多成果的領(lǐng)域。筆者認(rèn)為，超材料的研發(fā)要注重以下一些方向：

① 對(duì)超材料的工作頻段和方向控制的研究。從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達(dá)到紅外層次，同時(shí)大多數(shù)負(fù)折射率材料僅能在某些角度上實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。對(duì)于實(shí)現(xiàn)更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應(yīng)覆蓋整個(gè)可見光波段，同時(shí)也需要實(shí)現(xiàn)具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。這將是未來超材料發(fā)展的重要課題。

② 超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。超材料技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品中試階段，如果要進(jìn)行更大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，還需要研究大規(guī)模制造大體積超材料的方法。目前實(shí)驗(yàn)室僅掌握在平面上的超材料的制造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實(shí)現(xiàn)。同時(shí)表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規(guī)模地使用還有很長(zhǎng)的距離。如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地制造超材料是實(shí)現(xiàn)超材料廣泛使用的重要前提。

③ 新型超材料及其功能的設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化及相關(guān)模擬仿真方法。

④ 不同超材料之間相互作用的研究。這一方向的研究主要包括對(duì)超材料進(jìn)場(chǎng)波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對(duì)超材料內(nèi)部的傳播性質(zhì)的研究。而對(duì)其規(guī)律性的研究又不斷提出新的理論、技術(shù)、方法的需求，從而推動(dòng)與此相關(guān)的新理論概念、分析方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。

最新研究成果

“超材料超透鏡”有望檢測(cè)早期癌細(xì)胞

超材料光學(xué)特性的研究者、紐約州立大學(xué)布法羅分校（University of Buffalo）的Natalia Litchinitser教授近日在她的論文中介紹了由她的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一款可進(jìn)行單個(gè)分子成像和癌細(xì)胞檢測(cè)的透鏡——超材料超透鏡。這種由微小的黃金薄片和透明聚合體超材料制成的透鏡能在可見光下工作，并解決傳統(tǒng)光學(xué)透鏡的折射問題。

受量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理的制約，光學(xué)設(shè)備存在衍射極限，為半波長(zhǎng)量級(jí)，衍射會(huì)導(dǎo)致“消逝波”，即光波逐漸消散在傳統(tǒng)透鏡中。為了能看到更精細(xì)的尺度，需要突破衍射極限。提高成像分辨率是近場(chǎng)光學(xué)的一個(gè)熱門領(lǐng)域，達(dá)到這些超高分辨率需配合昂貴的高精度儀器設(shè)備，而利用超材料來實(shí)現(xiàn)超高分辨率無疑是一種低成本的辦法。

這種微結(jié)構(gòu)的尺度小于它作用的波長(zhǎng)，因此得以對(duì)波施加影響，實(shí)現(xiàn)讓光波、雷達(dá)波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢(mèng)想，這是傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的。超材料超透鏡能將漸散的光波轉(zhuǎn)化成能被標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備收集傳播的光線，繼而突破散射的限制。

傳統(tǒng)透鏡由銀和隔絕材料按照環(huán)形間隔排列制成。Litchinitser教授帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)摒棄傳統(tǒng)方法，將黃金和聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）超材料按照放射型排列制成了一種新型的超透鏡。在《自然通訊》雜志（《Nature》子刊，SCI一區(qū)，影響因子高達(dá)10.742）的一篇論文中，Litchinitser教授的團(tuán)隊(duì)闡述了使用光刻和電鍍來制作這種超透鏡的方法，并提供了光學(xué)試驗(yàn)的波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)顯示，在可見光下，光學(xué)內(nèi)視鏡僅能成像1萬(wàn)納米左右的物體，而使用超透鏡后，分辨率可提高至250納米或更好。

超材料超透鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

“醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展急需我們提高觀測(cè)微小物體的能力，而超材料超透鏡的研發(fā)或許會(huì)幫助我們跨出一大步”，Litchinitser教授舉例道，“超材料超透鏡能用于觀察卵巢或腺體腫瘤活體切片組織中的單個(gè)癌細(xì)胞，而現(xiàn)有醫(yī)療條件下這兩種癌細(xì)胞還難以在早期被檢測(cè)。”

超材料超透鏡：淺色區(qū)域?yàn)辄S金，深色為PMMA超材料

對(duì)于超材料在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)研究者和研究機(jī)構(gòu)也已在展開探索，如2011年，深圳光啟高等理工研究院揭牌成立了“超材料技術(shù)生物醫(yī)療應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室”。

隨著超材料領(lǐng)域研究和應(yīng)用的深化，超材料能否引領(lǐng)生物醫(yī)療領(lǐng)域的顛覆性變革，讓我們拭目以待。

來源：根據(jù)科技日?qǐng)?bào)、材料館、戰(zhàn)略前沿技術(shù)