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材料材料科学重要突破 -- 超材料!

2019-03-20  1768

什么是超材料?

中学时老师告诉我们,当一束光从空气斜射入水中,入射光与折射光应该在法线两侧。那么,是否存在这样一种介质,当光入射其中,入射光与折射光位居法线同侧?

1968年,前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现,介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质,与常规材料不同,从而在理论上预测了上述“反常”现象。超材料的概念便源于此。

Metamaterial,其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义,因此一般文献中给出超材料的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。”但实际上,到目前超材料还没有统一定义。那超材料到底是什么?我们从其特征就能做出判断:

具有新奇人工结构的复合材料;具有常规(或传统)材料不具备的超常物理性质;超常物理性质主要由新奇的人工结构决定;新奇的人工结构包括单元结构(人工原子和人工分子)和单元结构集合而成的复合结构两个层次。

隐身衣是近年来出镜率最高的超材料应用,电磁超材料是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向,典型的超材料还包括左手材料、光子晶体和非正定介质等,听起来都非常“科幻”。

由于20世纪60年代没有实验验证,加之时值功能材料处于发展初期,立足于原子、分子层次结构设计与调控的传统材料设计思想,在新型功能材料研发中仍有强大的生命力,因此,人们对菲斯拉格的发现未予以高度重视。

随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露,显著提高材料综合性能的难度越来越大,材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高,发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路,成为新材料研发的重要任务。菲斯拉格的发现重新回到人们视线。

超材料是材料设计思想上的重大创新,对新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微细加工技术等领域可能产生的深远影响,发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视,制定了相关计划,投入了大量人力和物力。

从负折射率到电磁黑洞

2001年,美国加州大学圣迭戈分校的史密斯教授等人在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品,并实验证明了负折射现象与负折射率。翌年,美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现超材料的新方法。

2002年底,麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性,并称之为“导向介质”,他预言了这种人工材料在高指向性的天线、聚焦微波波束、“完美透镜”、电磁波隐身等方面的应用前景。2006年,史密斯教授及其在杜克大学的科研小组设计、制造了著名的“隐身大衣”,并成功地进行了实验证明。2009年又出现了宽频带的隐身衣。2010年科学家发现了电磁黑洞。

光子晶体、左手材料、隐身衣等超材料研究成果被美国《科学》杂志先后于2000年、2003年、2006年选为年度10项重大进展之一。《Materials Today》杂志在2008年将超材料评为材料科学50年中的10项重要突破之一。2010年,《科学》杂志又将超材料列入本世纪前十年的10项重要科学进展之一。

目前,美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划,美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域最顶尖的科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额的经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划,支持了至少有两个关于超材料技术的研究项目,每个项目约为30亿日元。

重大创新将产生重大效益

近10年来,超材料研究之所以能引起全世界的高度关注,源自于超材料所体现的材料设计思想的重大创新,以及这一创新将产生的重大效益。

首先,通过材料结构的创新设计,实现全新的物理现象,产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料,促进甚至引领新兴产业发展;然后利用超材料设计思想,提升传统材料性能,突破稀缺资源瓶颈,实现传统材料产业的技术升级和结构调整。

电磁超材料实现,使我们继利用半导体自由调控电子传输之后,首次具备了自由调控电磁波的能力。这对未来的新一代通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。

隐身衣是一种以开口谐振环为单元结构、非均匀方式排列成圆环结构的超材料,其应用大家不言自明。

“电磁黑洞”是一种能够全向捕捉电磁波的电磁超材料,能引导电磁波在壳层内螺旋式地行进,直至被有耗内核完全吸收,使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现,不仅将为太阳能利用技术增加新的途径,产生全新的光热太阳能电池,还能应用于红外热成像技术,大幅度提高红外信号探测能力,因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。

慢波结构是一种能使电磁波减速甚至停止的电磁超材料,不仅可应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术,还可应用于光缓存和深亚波长光波导,极大增强非线性效应,促进光电技术的发展。

超材料透镜是一种可实现高定向性辐射的电磁超材料,可用于制造先进的透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等。

此外,如将超材料设计思想应用于常规材料,可在显著提高材料综合性能的同时,大幅度减少稀缺元素用量,为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如,常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合,可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下,使磁性材料的磁能级成倍提高,而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。

我国超材料技术发展现状

我国政府对超材料技术予以了高度关注,分别在863计划、973计划、国家自然科学基金等科技计划中予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料,以及声波负折射等基础研究方面,已取得原创性成果。

浙江大学在光波和超低频超材料领域取得了一系列有影响的成果,发展出了基于慢波来设计超薄、宽吸收角度的完美吸波材料,提出了超材料在成像、隐身、磁共振成像和静磁场增强方面的应用。

东南大学研究了均匀和非均匀超材料对电磁波的调控作用,提出了电磁黑洞和新型超材料隐身器件,发展出了雷达幻觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型天线罩、极化转换器等新型超材料器件。

清华大学研究介质基和本征型超材料,提出了通过超材料与自然材料融合构造新型功能材料思想,发展出了基于铁磁共振、极性晶格共振、稀土离子电磁偶极跃迁以及Mie谐振的超常电磁介质超材料。

深圳光启研究院则在国际上率先推进了超材料产业化,研发出超材料平板式卫星天线,在22个省市进行了测试,并在北京、天津等地得到了实际应用。

超材料的未来发展方向

超材料将有可能成为一种前途不可限量的新型材料,但是目前距离真正大规模的产业化还有一定距离,有许多的难题有待克服,这也将成为未来超材料研究的主流方向,并可能出现因技术的进一步突破取得更多成果的领域。笔者认为,超材料的研发要注重以下一些方向:

① 对超材料的工作频段和方向控制的研究。从工作频段来说,超材料的频段还只能达到红外层次,同时大多数负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。对于实现更好隐身功能需要来说,其工作波段最少应覆盖整个可见光波段,同时也需要实现具有各向同性的特性,即从更宽的光波波段和不同方向上实现对光的控制。这将是未来超材料发展的重要课题。

② 超材料的产业化发展。超材料技术目前还处于实验室到产品中试阶段,如果要进行更大规模的产业化,还需要研究大规模制造大体积超材料的方法。目前实验室仅掌握在平面上的超材料的制造工艺,具有三维空间的立体超材料还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上,这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模地制造超材料是实现超材料广泛使用的重要前提。

③ 新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法。

④ 不同超材料之间相互作用的研究。这一方向的研究主要包括对超材料进场波与超材料自由空间电磁波的耦合研究,以及对超材料内部的传播性质的研究。而对其规律性的研究又不断提出新的理论、技术、方法的需求,从而推动与此相关的新理论概念、分析方法和实验测量技术的发展。

最新研究成果

“超材料超透镜”有望检测早期癌细胞

超材料光学特性的研究者、纽约州立大学布法罗分校(University of Buffalo)的Natalia Litchinitser教授近日在她的论文中介绍了由她的团队设计的一款可进行单个分子成像和癌细胞检测的透镜——超材料超透镜。这种由微小的黄金薄片和透明聚合体超材料制成的透镜能在可见光下工作,并解决传统光学透镜的折射问题。

受量子力学的测不准原理的制约,光学设备存在衍射极限,为半波长量级,衍射会导致“消逝波”,即光波逐渐消散在传统透镜中。为了能看到更精细的尺度,需要突破衍射极限。提高成像分辨率是近场光学的一个热门领域,达到这些超高分辨率需配合昂贵的高精度仪器设备,而利用超材料来实现超高分辨率无疑是一种低成本的办法。

这种微结构的尺度小于它作用的波长,因此得以对波施加影响,实现让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想,这是传统材料无法实现的。超材料超透镜能将渐散的光波转化成能被标准设备收集传播的光线,继而突破散射的限制。

传统透镜由银和隔绝材料按照环形间隔排列制成。Litchinitser教授带领他的团队摒弃传统方法,将黄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种新型的超透镜。在《自然通讯》杂志(《Nature》子刊,SCI一区,影响因子高达10.742)的一篇论文中,Litchinitser教授的团队阐述了使用光刻和电镀来制作这种超透镜的方法,并提供了光学试验的波导。实验显示,在可见光下,光学内视镜仅能成像1万纳米左右的物体,而使用超透镜后,分辨率可提高至250纳米或更好。

“医疗技术的发展急需我们提高观测微小物体的能力,而超材料超透镜的研发或许会帮助我们跨出一大步”,Litchinitser教授举例道,“超材料超透镜能用于观察卵巢或腺体肿瘤活体切片组织中的单个癌细胞,而现有医疗条件下这两种癌细胞还难以在早期被检测。”

对于超材料在生物医疗领域的应用,国内研究者和研究机构也已在展开探索,如2011年,深圳光启高等理工研究院揭牌成立了“超材料技术生物医疗应用工程实验室”。

随着超材料领域研究和应用的深化,超材料能否引领生物医疗领域的颠覆性变革,让我们拭目以待。



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