|
|
2#
樓主 |
發(fā)表于 2015-5-19 09:47:23
|
只看該作者
那么問題來了——究竟什么是超材料？
; i& ~. L' x- v: m6 ^: d
0 ~8 A! v5 ?: X# c: n z ^ 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(xiàn)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。”& ~5 I* |$ H# b$ {, J9 m1 h6 F& i
2 T2 ^" R# [ G! [+ M' W7 M" M6 r
首先讓我們從中學(xué)物理課上老師都會(huì)演示的一個(gè)現(xiàn)象說起：當(dāng)一束光從空氣斜射入水中，會(huì)產(chǎn)生入射光和折射光，它們居于法線的兩側(cè)。因?yàn)檫@種反射現(xiàn)象，我們能夠看到大自然中的許多物體。那么，是否存在這樣一種介質(zhì)，當(dāng)光入射其表面時(shí)，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢？
6 p+ S2 q! \" F, H2 f6 m( R# o; N4 `
其實(shí)早在1968年時(shí)，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個(gè)疑問，并在理論上預(yù)測(cè)了上述“反?！爆F(xiàn)象。只是由于沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加之當(dāng)時(shí)處于功能材料發(fā)展初期，人們對(duì)菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。3 X* K3 O4 i) }3 f
4 Z! X& r- N- U. W0 p3 v 根據(jù)廣義相對(duì)論，時(shí)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(jì)并制作出足夠小的“設(shè)備”。近年來，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(jì)制造出各種超材料，實(shí)現(xiàn)了讓光波、雷達(dá)波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢(mèng)想。
5 M( x2 _- s \. ]+ |' P/ U
) B- w2 j, f5 `+ r+ `& O 如今，超材料研究正在發(fā)酵。美國(guó)《科學(xué)》雜志將其列入本世紀(jì)前10年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一，引發(fā)了諸如新一代信息技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、新能源技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革。9 z( k1 E8 N: ?5 F% ]
/ q0 Q7 z! c; \! {# X- k
- 群雄競(jìng)逐 你追我趕
* O* ]& w- h _5 H' n0 O- t
# E3 G8 B/ L1 @* @. o 國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈
& t% }0 Q2 B& D5 h( h4 r4 r$ h5 D8 a; F
這場(chǎng)變革已經(jīng)到來。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。
, v& X6 c% e7 u6 ~; s# t! }( a, }& b+ t" F! X& z
例如，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。美國(guó)國(guó)防部更是將其列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一。歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(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，支持至少兩個(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。
( i) Q. y5 c/ |# N; a" A9 ^; p; c0 L3 |2 {/ ]" G2 Z
在各國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。# p! ]- N& t; U
8 q$ k- y+ O9 W z$ k1 \ 美國(guó)的科學(xué)家制造出一種反彈陶瓷管，相比傳統(tǒng)脆而硬的陶瓷，這種反彈陶瓷管在被壓縮50%后還能復(fù)原。這種陶瓷將在“普通物質(zhì)無能為力的地方大顯身手”，如航天飛機(jī)或者噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱設(shè)備。- s# Y3 ^! r7 Q1 t3 ^
# R' \2 m9 B$ ^5 o4 v, h9 q
在德國(guó)，科學(xué)家已經(jīng)使用一種叫作“徑直激光平版刻錄”技術(shù)制成由微型塑料棒構(gòu)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(cè)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署在內(nèi)的軍方機(jī)構(gòu)，尋求的正是這種隱藏技術(shù)，以便讓飛機(jī)在軍事雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)隱身。/ N! G% D% A- D6 {
/ g8 s2 n. L3 L, E2 B/ f2 A, Z& l1 H 法國(guó)科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了通過超材料墻壁和地面精確打孔來轉(zhuǎn)移地震波，讓地震和海嘯偏離建筑物或城鎮(zhèn)，以達(dá)到減災(zāi)的目的。/ D- L; D9 ~8 f1 Y
) k! P2 v' M' h6 G! Z. T4 z
荷蘭的的科學(xué)家則制造出在力學(xué)上可編程的智能橡膠。通過小型開關(guān)的控制和特殊的設(shè)計(jì)，這種智能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(gè)階段進(jìn)行快速轉(zhuǎn)變。借助這種材料，人們不久或?qū)⒖梢源┥夏芡ㄟ^感應(yīng)地面軟硬度而自動(dòng)調(diào)節(jié)的鞋子。
% E& ~! Y6 `5 ?( D+ E+ g; g( C, M2 c6 Z5 E) o/ n
目前，基于這些實(shí)驗(yàn)成果展開的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷達(dá)天線、吸波材料、電子對(duì)抗雷達(dá)、超材料通信天線、無人機(jī)雷達(dá)、聲學(xué)隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。/ h# c" `! l" b" `6 J
* l/ {1 s, \! Y$ U9 o$ r合力攻關(guān) 注重應(yīng)用' F' a, b" K @7 G, R4 u$ Z; p
6 b6 b% b8 H! k7 ?' ` 我國(guó)領(lǐng)跑有優(yōu)勢(shì)
2 S w( \% O$ ~4 |& O) {+ p" O
' s! i9 _, ?/ w8 e4 r, B 相比于不少國(guó)家相對(duì)分散的發(fā)展模式，我國(guó)在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國(guó)已分別在863計(jì)劃、973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、新材料重大專項(xiàng)等項(xiàng)目中對(duì)超材料研究予以立項(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，我國(guó)企業(yè)取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)中占到先機(jī)。
: X* L2 f, Z: Y' }/ L, ~5 g& e4 k4 b
曾在美國(guó)留學(xué)并在《科學(xué)》雜志發(fā)表關(guān)于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(xué)生團(tuán)隊(duì)回國(guó)創(chuàng)辦了深圳光啟。經(jīng)過幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)超過2800件專利，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的86%，該公司還在創(chuàng)建基于超材料的智慧社區(qū)、無線互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結(jié)構(gòu)精試線，設(shè)備定制化程度高達(dá)70%，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)2微米的工藝精度。他們還設(shè)計(jì)了超材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程。. Y1 d. A8 }4 m5 m! h! t
; a( Y2 B8 c d1 X' Z 以其設(shè)計(jì)的電磁超材料天線為例，運(yùn)用一塊可折疊為筆記本大小、印著“江南水鄉(xiāng)風(fēng)景畫”的電路板，飛機(jī)、火車、輪船、汽車就能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鞭長(zhǎng)莫及的偏遠(yuǎn)地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。不管衛(wèi)星在天空中的哪個(gè)地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統(tǒng)的碟形天線一樣總朝一個(gè)方向盯著一顆衛(wèi)星。
! {+ V3 U$ Y/ r: J- {1 n0 U" R5 V/ E/ z% T+ [0 f
美國(guó)類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計(jì)劃今年才開始，而光啟早在3年前便在我國(guó)22個(gè)省份進(jìn)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(lǐng)域展開的激烈競(jìng)爭(zhēng)之一。3 x! ~0 @/ |: F! V
( G& S$ G! @2 u+ b: U8 ~; d- r2 G
另一方面，我國(guó)在超材料的微結(jié)構(gòu)加工方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。去年，中南大學(xué)教授黃小忠的團(tuán)隊(duì)利用3D打印機(jī)，通過對(duì)材料進(jìn)行編碼，獲得了一塊邊長(zhǎng)18厘米、包括10萬個(gè)物理單元的具有隱身性能的超材料，這樣可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)未來太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。
9 d0 i3 x- O" a' h8 G) s- K( e8 V# }; Z2 h/ k. E! }
此外，為了打破歐美對(duì)超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，上月，全國(guó)電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)審查和報(bào)批了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語》。這意味著，我國(guó)在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將對(duì)我國(guó)在超材料技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化起到重要作用。2 O0 M% k9 h; \( f3 `
6 _6 x* y0 P% A& S- }: h 有調(diào)研公司預(yù)測(cè)，超材料全球市場(chǎng)規(guī)模在2010—2020年間將以高達(dá)41%的年復(fù)合增長(zhǎng)率發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著全球“工業(yè)4.0”進(jìn)程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，一個(gè)可帶動(dòng)諸如高速列車、新型地面行進(jìn)裝備、航空航天、國(guó)防科技、地面智能機(jī)器人等領(lǐng)域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。9 {9 m% R6 e3 }+ R v, L% Q
7 l* U1 c, u) \6 T
利用駕馭電磁波的超材料技術(shù)來建造未來世界，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)說，我們?cè)谶@方面擁有明顯優(yōu)勢(shì)，完全有條件成為這場(chǎng)創(chuàng)新革命的領(lǐng)跑者。
q- |& j3 O: L# `2 @8 M- Z
$ P Z0 c3 {2 W* ?3 I6 n3 q: Y 專家視點(diǎn)——2 }* g8 J* O8 \
) d3 _4 Q9 v& O# X% m Z- [ “超材料”這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個(gè)領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學(xué)領(lǐng)域引發(fā)轟動(dòng)，接著長(zhǎng)驅(qū)直入，進(jìn)入包括熱力學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，最近又開始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。
3 T% q* T" \3 j1 {9 v1 c4 ^5 ?& k Z
——德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授
0 @; B; M* o8 F! i+ ^ k$ O+ \6 N7 T3 O. U& h4 i
超材料對(duì)航空航天、國(guó)防、民用科學(xué)技術(shù)的促進(jìn)表明，新材料將會(huì)成為科學(xué)研究中一個(gè)很重要的切入點(diǎn)和方向，將會(huì)對(duì)眾多領(lǐng)域帶來沖擊和影響，并產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)，這個(gè)意義極為深遠(yuǎn)。* ?8 q# \9 x; |. A1 L
; Q3 w1 {" A V% I2 X5 ^/ _ ——中國(guó)工程院院士段寶巖" F3 b0 W+ P' O4 J' t# J
, u' ~4 r. }. E; ]0 X 超材料的設(shè)計(jì)思想和方法很有可能成為發(fā)掘材料新功能、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)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(yīng)進(jìn)一步明確在國(guó)家層面大力發(fā)展超材料技術(shù)的必要性，凝練發(fā)展重點(diǎn)，選擇合理技術(shù)路線，制定符合超材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、與我國(guó)國(guó)情相適應(yīng)的超材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略。
3 N& `# h! r! s& s F' b
2 A/ W& ?( O; x" Y* f) A; p ——中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司副總工程師周少雄（人民日?qǐng)?bào)海外版） |
|
發(fā)表于 2015-5-19 09:44:28
QQ好友和群
QQ空間
