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超材料——开启材料应用新纪元
发布时间:2015-4-3 来源:材料科学与工程 浏览:246次

       众所周知,声波通过空气的震动来传播的,而物体在水面引起的波动以及地震所引起的冲击波也被认为是弹性波。你能想象声波或者其他弹性波被感知、被控制,甚至被消声吗?如果能够开发出一种技术可以控制并操控这些弹性波,则可能会在医疗、军事和商业上产生巨大的应用前景。据国际权威杂志《自然》的子刊《自然通讯》报道,美国密苏里大学的研究人员已经开发出能够控制这些波的物质——一种超材料。该材料如果用于新设备的制造,可以具备感知并控制声波等弹性波的能力。这项研究由美国空军科学研究办公室资助完成。

       密苏里大学研发团队通过单一的材料——钢,实现对波的控制。通过激光雕刻技术在钢板上雕刻非对称的几何图案微结构,首次实现在该领域利用单一材料操控对波的传播。展望未来,控制弹性波的超材料技术可以在很多领域得到应用,包括超高分辨率传感器、声学和听力医疗设备,这一切都归功于超材料可直接控制弹性波的能力。

       除了弹性波,超材料还可以改变或者控制电磁波、光波、热的传播。通过超材料技术可以实现局部的光学隐身,如下图所示,鱼缸内所有物体相对于外部观测者均处于隐身状态,而一旦脱离鱼缸则恢复正常。

       随着一批优秀的海外人才回归,我国已经在超材料领域开展大量应用研究,取得了一批有影响的成果。未来,超材料将成为主流的功能性材料。超材料利用精心控制的微米或纳米结构创建新型的机械、电磁、声学等性能,还可用于制造设备器件,如改进卫星天线仪、突破衍射极限的超级镜头,或使电磁辐射完全绕过隐藏物的“隐形斗篷”。如果研发人员发现更低成本的超材料制造技术,将对通信、电子和防御等行业产生深远性的影响。

       超材料已引起多国重视,从美国的国防部高级研究计划局到中国政府等,投入资金超过20亿美元。同时,多样化的初创企业正在涌现。美国新创公司Kymeta正在进行微波频率电磁超材料的开发,美国杜克大学及一些新创公司则集中在研究操纵电磁波与可见光及红外的超材料,还有些欧洲大学及研究机构则致力于在声学及热学传导领域的超材料研究。

       中国深圳光启的创始团队来自超材料技术的诞生地——美国杜克大学,专注于超材料的工程应用和产业化,主要领域包括超材料智能结构、装备尖端技术、临近空间技术等。光启在全球范围内首先研制出了平板超材料卫星通讯系统并付诸应用。在全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大的背景下,超材料智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表产品,具有巨大的发展空间和良好的市场前景。国家政策也大力支持智能化超材料相关的战略新兴产业发展。