基本介紹
- 中文名：超材料
- 外文名：Metamaterial
- 範疇：物理學領域
- 特點：具有超常的物理性質
- 學科：材料學
- 領域：材料學
定義,六類超材料,歷史沿革,研究現狀,國外發展,中國發展,發展前景,基本原理,主要特徵,套用研究,專家觀點,
定義
“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工設計的結構並呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的複合材料。“超材料”（Metamaterial）是21世紀以來出現的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質，而且這些性質主要來自人工的特殊結構。
超材料的設計思想是新穎的，這一思想的基礎是通過在多種物理結構上的設計來突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設計思想昭示人們可以在不違背基本的物理學規律的前提下，人工獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”，把功能材料的設計和開發帶入一個嶄新的天地。
典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”、“金屬水”。
六類超材料
1、自我修復材料——仿生塑膠
伊利諾伊大學的Scott White研發出了一種具備自我修復能力的仿生塑膠。這種聚合物內嵌有一種由液體構成的“血管系統”，當出現破損時，液體就可像血液一樣滲出並結塊。相比其他那些只能修復微小裂痕的材料，這種仿生塑膠可以修復最大4毫米寬的裂縫。
2、熱電材料
一家名為Alphabet Energy的公司開發出了一種熱電發電機，它可被直接插入普通發電機的排氣管，從而把廢熱轉換成可用的電力。這種發電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據稱可達到5-10%的能效。科學家們已經在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。
熱電材料目前已經開始了小規模的套用——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、冰櫃或任何機器的排氣管。
3、鈣鈦礦
除晶體矽外，鈣鈦礦也可可用來製作太陽能電池的替代材料。在2009年，使用鈣鈦礦製作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉化率。到了2014年，這一數字已經提升到了19.3%。相比傳統晶體矽電池超過20%的能效。科學家認為，這種材料的性能依然有提升的可能。
鈣鈦礦是由特定晶體結構所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數量的元素，用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體矽，這些原材料要便宜得多，且能被噴塗在玻璃上，無需在清潔的房間當中精心組裝。
4、氣凝膠
氣凝膠可由任意數量的物質所製成，包括二氧化矽、金屬氧化物和石墨烯。由於空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結構也賦予其超高的強韌性。
NASA的科學家已經在實驗一種由聚合物所製成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。
5、Stanene——導電率100%的材料
和石墨烯一樣，Stanene也是一種由單原子層所製作的材料。但由於使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實現的特性：100%的導電率。
Stanene在2013年由史丹福大學張首晟教授首次進行了理論化。預測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領域之一，根據他們的模型，Stanene是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導體，而內部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導電。
6、光操縱材料
光操縱超材料的納米結構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。根據製作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、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。
歷史沿革
1968年，前蘇聯理論物理學家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個疑問，並在理論上預測了上述“反常”現象。只是由於沒有實驗驗證，加之當時處於功能材料發展初期，人們對菲斯拉格的發現並未予以足夠重視。
美國《科學》雜誌將其列入本世紀前10年的10項重要科學進展之一，引發了諸如新一代信息技術、國防工業、新能源技術、微細加工技術等領域的重大變革。
已開發國家的政府、學術界、產業界對超材料技術的研發給予高度重視，制定了相關計畫，投入了大量人力和物力。
美國國防部專門啟動了關於超材料的研究計畫，美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯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，並給予高額經費支持。
日本在經濟低迷之際出台了一項研究計畫，支持至少兩個關於超材料技術的研究項目，每個項目約為30億日元。
研究現狀
國外發展
在各國科學家的實驗室中，很多新奇的發明已經出現。
美國的科學家製造出一種反彈陶瓷管，相比傳統脆而硬的陶瓷，這種反彈陶瓷管在被壓縮50%後還能復原。這種陶瓷將在“普通物質無能為力的地方大顯身手”，如太空梭或者噴氣式發動機的隔熱設備。
2006年，北卡羅來納州的杜克大學（Duke University）和倫敦帝國理工學院（Imperial College）的研究者成功挑戰傳統概念，使用超材料讓一個物體在微波射線下隱形。儘管仍有許多難關需要克服，但我們有史以來頭一次擁有了能使普通物體隱形的方案（五角大樓的國防高級研究計畫署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]資助了這一研究）。
在德國，科學家已經使用一種叫作“徑直雷射平版刻錄”技術製成由微型塑膠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畫署在內的軍方機構，尋求的正是這種隱藏技術，以便讓飛機在軍事雷達探測範圍內隱身。
法國科學家則發現了通過超材料牆壁和地面精確打孔來轉移地震波，讓地震和海嘯偏離建築物或城鎮，以達到減災的目的。
荷蘭的的科學家則製造出在力學上可程式的智慧型橡膠。通過小型開關的控制和特殊的設計，這種智慧型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變。藉助這種材料，人們不久或將可以穿上能通過感應地面軟硬度而自動調節的鞋子。
中國發展
相比於不少國家相對分散的發展模式，中國在超材料領域的發展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計畫、973計畫、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基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，我國企業取得了多項原創性成果，並在世界超材料產業化競爭中占到先機。
曾在美國留學並在《科學》雜誌發表關於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辦了深圳光啟。經過幾年發展，該公司已在世界範圍內申請超過2800件專利，約占相關領域專利申請總量的86%，該公司還在創建基於超材料的智慧社區、無線互聯、航空航天等領域的產業化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結構精試線，設備定製化程度高達70%，可實現高達2微米的工藝精度。他們還設計了超材料生產標準化流程。
以其設計的電磁超材料天線為例，運用一塊可摺疊為筆記本大小、印著“江南水鄉風景畫”的電路板，飛機、火車、輪船、汽車就能在行動網路鞭長莫及的偏遠地方連線衛星寬頻上網。不管衛星在天空中的哪個地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統的碟形天線一樣總朝一個方向盯著一顆衛星。
美國類似產品的商業銷售計畫今年才開始，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。
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製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化起到重要作用。
發展前景
有調研公司預測，超材料全球市場規模在2010-2020年間將以高達41%的年複合增長率發展。可以預計，隨著全球“工業4.0”進程持續深化、“智慧型+”套用領域不斷擴大，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、地面智慧型機器人等領域的千億規模的超材料產業集群正在崛起。
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新的又一焦點。
基本原理
根據廣義相對論，時間和空間都是可以“彎曲”的，而空間裡的光線同樣可以彎曲，前提是設計並製作出足夠小的“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製造出各種超材料，實現了讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。
不同波長的光線被特殊波導捕獲形成彩虹
不同波長的光線被特殊波導捕獲形成彩虹超材料的套用與原有的材料製備有很大的區別，以往是自然界有什麼材料，就能製造出什麼物品，而超材料完全是逆向設計，根據針對電磁波的具體套用需求，製造出具有相應功能的材料。
主要特徵
metamaterial重要的三個重要特徵：
（1）metamaterial通常是具有新奇人工結構的複合材料；
（2）metamaterial具有超常的物理性質（往往是自然界的材料中所不具備的）；
（3）metamaterial性質往往不主要決定於構成材料的本徵性質，而決定於其中的人工結構。
套用研究
目前，基於這些實驗成果展開的產品轉化步伐也在加快。像超材料智慧型蒙皮、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、聲學隱身技術等產品研發和利用，已經成為各國競爭的焦點。
專家觀點
“超材料”這一概念已經慢慢滲入多個領域。這一技術最初在電磁學領域引發轟動，接著長驅直入，進入包括熱力學在內的多個領域，最近又開始在力學領域掀起狂瀾。（德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授）
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衝擊和影響，並產生新的產業，這個意義極為深遠。（中國工程院院士段寶岩）
超材料的設計思想和方法很有可能成為發掘材料新功能、引領產業新方向，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展超材料技術的必要性，凝練發展重點，選擇合理技術路線，制定符合超材料技術發展趨勢、與我國國情相適應的超材料技術發展戰略。（中國鋼研科技集團有限公司副總工程師周少雄）
