超材料技術(shù)及其應(yīng)用展望

編者按

超材料是一類利用人工結(jié)構(gòu)作為功能單元構(gòu)筑的新型材料，可實(shí)現(xiàn)自然材料無法獲得的新性能，得到了世界各國的高度重視。超材料是世紀(jì)之交誕生的一個新的科學(xué)概念，基于這一概念，在過去的十幾年中發(fā)展出一系列具有奇異特性的新型人工材料系統(tǒng)，可望在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性技術(shù)。

中國工程院院士、清華大學(xué)周濟(jì)教授研究團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2018年第6期發(fā)表《超材料技術(shù)及其應(yīng)用展望》一文。文章從工程應(yīng)用出發(fā)對超材料技術(shù)的形成和發(fā)展做了簡述，總結(jié)了過去超材料在幾個典型領(lǐng)域，如隱身、電子元器件及機(jī)械減震系統(tǒng)中取得的重要突破，預(yù)測了可能導(dǎo)致顛覆性技術(shù)的方向，如超材料透鏡技術(shù)、超材料全光調(diào)控技術(shù)，以及超材料與常規(guī)材料的融合等，并對超材料技術(shù)未來發(fā)展的難點(diǎn)和戰(zhàn)略思路提出了建議。

一、前言

超材料是世紀(jì)之交誕生的一個新的科學(xué)概念?；谶@一概念，在過去的十幾年中發(fā)展出了一系列具有奇異特性的新型人工材料系統(tǒng)，可望在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性技術(shù)。超材料技術(shù)被美國國防部列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究技術(shù)”之一，并先后被評選為材料科學(xué)領(lǐng)域“50年中的10項(xiàng)重大成果”之一和21世紀(jì)前10年10項(xiàng)重大突破之一。

“超材料”一詞最初由美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校Rodger M. Walser教授提出，用來描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。盡管各種科學(xué)文獻(xiàn)給出的定義也各不相同，但一般都認(rèn)為“超材料”是具有通過人工結(jié)構(gòu)作為基本功能單元、能夠?qū)崿F(xiàn)自然材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工材料。近年來，典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等已在光學(xué)、通信、國防等應(yīng)用領(lǐng)域漸露頭角，而為數(shù)眾多的電磁超材料、力學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、熱學(xué)超材料以及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料相繼出現(xiàn)，形成了新材料的重要生長點(diǎn)。

二、超材料的實(shí)現(xiàn)方法——以左手材料為例

左手材料是一類典型的超材料，這類材料的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)對超材料思想的形成起到了關(guān)鍵作用。

左手材料的源頭可追溯到科學(xué)家Veselago于1968年提出的一個思想實(shí)驗(yàn)。他預(yù)測，如果有某種材料同時具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，電磁波在該材料中傳播時的電場矢量、磁場矢量以及波矢量之間的關(guān)系將不再遵循經(jīng)典電磁學(xué)中的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“左手關(guān)系”，這時材料中電磁波的波動方向和能量傳播方向相反，并表現(xiàn)出一系列有違常理的行為，例如光的負(fù)折射、反常多普勒效應(yīng)、倏逝波放大、完美透鏡效應(yīng)，以及反常切連科夫輻射等。然而，眾所周知，同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的預(yù)言在相當(dāng)長的時間內(nèi)未能得到科學(xué)界的重視。直到20世紀(jì)90年代中后期，英國物理學(xué)家Pendry的工作使左手材料的研究出現(xiàn)了柳暗花明的前景，并導(dǎo)致了超材料這一新概念的形成。

Pendry等1996年預(yù)言了由金屬線構(gòu)成的陣列可在諧振頻率附近產(chǎn)生出宏觀反常介電常數(shù)的性質(zhì)，1998年又提出通過人工設(shè)計具有開口的金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR）陣列實(shí)現(xiàn)反常有效磁導(dǎo)率?；谏鲜鏊悸罚?000年，Smith等利用電路板加工方法，制備了金屬線與SRR結(jié)構(gòu)陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，直接觀測到了微波頻段的左手性電磁波透射通帶和負(fù)折射行為（見圖1）。

圖1 基于金屬線與SRR結(jié)構(gòu)陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)的左手材料

左手材料的實(shí)現(xiàn)改變了人們的一些固有觀念，昭示人們可以在不違背物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，通過人工功能單元的設(shè)計，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。從材料科學(xué)的角度看，超材料的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了左手材料等幾種人工材料本身，它提供了一種全新的材料獲取方法，即針對需求進(jìn)行逆向設(shè)計，通過設(shè)計“人工材料基因”來構(gòu)建材料的功能。

三、若干重要研究和工程應(yīng)用進(jìn)展

超材料的重大科學(xué)價值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出革命性的應(yīng)用前景得到了世界各國政府、科技界、產(chǎn)業(yè)界，以及國防部門的密切關(guān)注。美國國防部啟動了關(guān)于超材料的多項(xiàng)研究計劃，美國大型的半導(dǎo)體公司如英特爾、美國超威半導(dǎo)體（AMD）和國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）等也成立了聯(lián)合基金資助相關(guān)研究。歐盟組織了50多位頂尖的科學(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)低迷之際出臺了一項(xiàng)研究計劃，支持至少兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項(xiàng)目，每個項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)約為30億日元。超材料的研究和工程化應(yīng)用在近年來得到了迅速發(fā)展。

在電磁超材料方面，科學(xué)家對各種電磁諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)展出了多種基于金屬線和SRR環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工原子，并設(shè)計研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時，將微納加工技術(shù)引入到了超材料的制備，發(fā)展出了可在光學(xué)頻段下工作的各種超材料和器件。近年來，超材料也從電磁領(lǐng)域逐漸走向了力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及傳質(zhì)等領(lǐng)域，一系列具有超常性質(zhì)和奇異功能的新型超材料相繼問世。

（一）超材料“隱身斗篷”

2006年，Pendry等發(fā)表了關(guān)于設(shè)計電磁隱身衣的新方法。他們指出，具有特定磁導(dǎo)率和介電常數(shù)分布的超材料可以控制電磁波傳播，并干擾電磁波的傳播軌跡，使其發(fā)生彎曲。因此，可以利用電磁超材料制備的套型裝置，引導(dǎo)電磁波繞過目標(biāo)物體之后返回原始的傳播軌跡，給觀察者造成一種物體不存在的假象，可以使放置在其內(nèi)部的物體“隱身”，不被外界探測到。在此基礎(chǔ)上，Schurig等對材料的參數(shù)進(jìn)行了簡化，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了世界上首個超材料隱身衣，從隱身衣外部無法探測到隱身衣內(nèi)部物體的信息，實(shí)現(xiàn)了完美隱身。近年來，科學(xué)家對超材料隱身衣技術(shù)做了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，以期獲得隱身性能更好、頻帶更寬、超材料結(jié)構(gòu)更輕薄的超材料系統(tǒng)（見圖2）。

圖2 超材料隱身斗篷原理示意圖

與傳統(tǒng)隱身技術(shù)相比，超材料隱身的特點(diǎn)是靠導(dǎo)引電磁波，而不是靠吸收電磁波，因此沒有目標(biāo)影子，是國防軍工領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，得到了各國軍工界的廣泛重視。目前，基于超材料隱身斗篷技術(shù)已開始在軍事裝備中獲得應(yīng)用。

（二）基于超材料的新型無源電子元器件

電磁介質(zhì)是無源電子元器件的材料基礎(chǔ)和技術(shù)核心。傳統(tǒng)的無源元件基于常規(guī)介質(zhì)材料，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為大于1的正值，且不會特別高。超材料技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有負(fù)值、超低或超高介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的人工電磁介質(zhì)，為一些具有變革性的新型無源電子元器件的出現(xiàn)提供了條件。

天線是超材料應(yīng)用的較為成功的一類器件。利超材料超常的電磁性質(zhì)和高度可設(shè)計的特點(diǎn)，人們成功地開發(fā)出多種具有高性能、能滿足各種特殊要求的天線，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、高效、高增益、共型化、高信號選擇性等。例如，Ziolkowski等提出了基于超材料的天線空間匹配的概念，可有效地抵消電抗，提高天線的輻射效率，同時通過空間耦合成為天線的寄生輻射元增益，可將天線尺寸大幅縮小，輻射效率大幅提高。利用復(fù)合左/右手（CRLH）傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計出的天線，借助于零階諧振，天線的尺寸可以任意地小。利用零折射率超材料的出射面趨近平行于法線的方向射入自由空間的特性，可以有效地使電磁波匯聚，提高陣列天線的方向性和增益。目前，在通信等領(lǐng)域的一些天線中已融合了超材料技術(shù)。

在無源集成領(lǐng)域，筆者首次提出了基于負(fù)介電常數(shù)的無繞線電感技術(shù)。利用平板電容結(jié)構(gòu)，以負(fù)介電常數(shù)材料作為介質(zhì)產(chǎn)生類似于電感器的交流響應(yīng)，有效解決了無源集成模塊中電感器復(fù)雜的繞線結(jié)構(gòu)占據(jù)大量布線空間、導(dǎo)致復(fù)雜工藝及對周圍元器件產(chǎn)生漏磁干擾的問題。

（三）超材料減震技術(shù)

機(jī)械/聲學(xué)超材料近年來發(fā)展迅速，這類超材料有迫切的工程需求。機(jī)械超材料是對各種力學(xué)作用做出超常響應(yīng)的人工材料，按所調(diào)控的彈性模量不同可分為超強(qiáng)、超硬超材料，可調(diào)節(jié)剛度超材料，負(fù)壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和智能超流體。利用這些超常力學(xué)性質(zhì)，可以開發(fā)出很多應(yīng)用功能，其中一個成功的工程應(yīng)用領(lǐng)域是減震和降噪。目前常用超材料實(shí)現(xiàn)減震降噪的方案很多，其中一個方案是利用電磁波“隱身斗篷”類似的坐標(biāo)變換原理，將受保護(hù)物體利用特殊設(shè)計的力學(xué)超材料包覆起來，使機(jī)械波繞開物體。這一思路也被用于大型建筑及城市的地震防護(hù)。此外，利用具有負(fù)泊松比（受到拉力時發(fā)生側(cè)向膨脹）超材料和負(fù)剛度超材料的組合，科學(xué)家成功地研制出了能夠抑制許多不同頻率的振動的新型防震結(jié)構(gòu)，可望應(yīng)用于運(yùn)送早產(chǎn)兒的車輛上。

四、值得關(guān)注的顛覆性技術(shù)

（一）超材料透鏡

超材料透鏡是一類典型的顛覆性技術(shù)。傳統(tǒng)透鏡受到衍射極限的約束限制，光學(xué)器件無法對尺度小于半個工作光波長的物體成像，其深層物理原因是常規(guī)介質(zhì)中倏逝波的衰減。2000年，Pendry在理論上提出了負(fù)折射材料可以用于制作超透鏡的想法，并證明了當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)為負(fù)數(shù)時，電磁波中的倏逝波成分會被放大，其中所攜帶的信息就可以在負(fù)折射率介質(zhì)材料中傳播。由負(fù)折射材料制備的平板具有成像的功能，物體發(fā)射出的光線會經(jīng)負(fù)折射率平板前后界面兩次折射后重新匯聚在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無衍射極限的成像（見圖3）。

圖3 超透鏡原理示意圖

近年來，各種超透鏡的設(shè)計層出不窮，由于在超材料加工上的困難，對于可見光頻段的超透鏡在實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)展較慢。2015年，Sun等設(shè)計并研制出了一種可進(jìn)行單個分子成像和癌細(xì)胞檢測的透鏡——超材料超透鏡，可將光學(xué)內(nèi)視鏡的成像分辨率從10 000 nm提高至250 nm或更好。最近，Arbabi等開發(fā)了一種新型平面光學(xué)透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且還能與圖像傳感器進(jìn)行集成，可望用于小型化的相機(jī)和顯微鏡中，并擴(kuò)展其功能和操作方式。

超材料透鏡在生物、材料、微電子學(xué)、光學(xué)工程領(lǐng)域都有急切的要求。可以對病毒和DNA分子、細(xì)胞以及各種材料的顯微結(jié)構(gòu)等在自然環(huán)境中進(jìn)行直接觀察。同時，基于超材料的完美透鏡可實(shí)現(xiàn)亞波長尺度的光刻，一旦實(shí)現(xiàn)將使微電子加工技術(shù)水平大幅度提高，從而進(jìn)一步延續(xù)集成電路的摩爾定律。

（二）全光信息元器件

全光信息技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的重要方向，是突破電子技術(shù)“摩爾定律”物理極限的主要途徑。盡管這一技術(shù)原理已趨于完善，但在實(shí)際應(yīng)用中面臨著一系列器件的實(shí)現(xiàn)問題，其中作為邏輯光路的核心部件的全光開關(guān)器件是光信息技術(shù)的主要難點(diǎn)。常規(guī)全光開關(guān)借助于光學(xué)非線性過程，需要較高（遠(yuǎn)高于信號）的驅(qū)動光功率（非線性閾值），同時材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變和弛豫過程需要相對較長的響應(yīng)時間（開啟和關(guān)閉時間）。高閾值功率和低響應(yīng)速度是全光開關(guān)技術(shù)走向應(yīng)用的主要障礙。

超材料為構(gòu)筑新型全光開關(guān)器件提供了新的可能性。筆者首次提出了一種基于超材料中模態(tài)耦合的全光開關(guān)的設(shè)計思想：利用介質(zhì)超材料中人工原子可承載多個諧振模態(tài)的特性，通過兩束電磁波導(dǎo)致的電磁諧振模態(tài)發(fā)生相互耦合，改變通過材料的信號波傳播特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全光調(diào)制。由于這種新機(jī)制無需通過非線性光學(xué)過程參與，所獲得的全光開關(guān)器件將具有低開關(guān)閾值和極高的開關(guān)速度，從根本上解決制約光開關(guān)技術(shù)的兩大核心問題，即開關(guān)閾值和開關(guān)速度問題，從而突破全光信息技術(shù)的瓶頸（見圖4）。

圖4 超材料全光開關(guān)原理示意圖

（三）超材料與常規(guī)材料的融合

超材料是一種特殊的材料。超材料與常規(guī)材料相比，其界面非常清晰，超材料的功能主要來源于人工結(jié)構(gòu)，與源于自然結(jié)構(gòu)的常規(guī)材料完全不同。兩類材料的優(yōu)勢和劣勢完全相反，常規(guī)材料源于自然，易于獲得，但難于設(shè)計和剪裁；超材料則剛好相反，易于設(shè)計和剪裁，但不容易獲得。鑒于此，筆者提出了通過超材料與常規(guī)材料的融合構(gòu)建新型功能材料的概念，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了介質(zhì)基電磁超材料、本征型超材料介質(zhì)及若干種基于超材料原理的“常規(guī)材料”（見圖5）。

圖5 超材料與常規(guī)材料的融合

超材料與常規(guī)材料的融合能夠發(fā)展出一些新的材料，為突破常規(guī)材料的性能極限開辟了新的道路。常規(guī)材料的性能主要取決于材料的自然結(jié)構(gòu)，如原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、晶粒–晶界結(jié)構(gòu)等。隨著材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，人們對這些結(jié)構(gòu)的操控能力逐漸增強(qiáng)，材料的性能不斷提高，越來越趨近于材料的自然極限。同時，自然單元和結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響，也決定了人們無法隨心所欲地對材料性能進(jìn)行精準(zhǔn)操控。超材料結(jié)構(gòu)單元簡單，易于被操控，因此可望成為突破常規(guī)材料功能極限的一種途徑。

超材料與常規(guī)材料的融合也是超材料走向工程化應(yīng)用的一個捷徑。狹義的超材料是具有常規(guī)材料所不具備性質(zhì)的人工材料，盡管其性能極具吸引力，但真正形成對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)尚需要一個發(fā)育期。而利用超材料的方法構(gòu)筑具有優(yōu)異性能的“人工常規(guī)材料”，則可望借助已有的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，將超材料迅速推向工程化。

五、技術(shù)難點(diǎn)及政策建議

超材料的應(yīng)用可能導(dǎo)致眾多領(lǐng)域的技術(shù)變革，目前這些技術(shù)變革正處于醞釀階段，值得密切關(guān)注和期待。作為一大類全新的材料系統(tǒng)，從超材料的研發(fā)到產(chǎn)生顛覆性技術(shù)需克服一系列技術(shù)障礙。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）超材料的模擬設(shè)計技術(shù)。目前超材料的研究以原理性探索為主，模擬仿真技術(shù)基于簡單模型和通用的模擬軟件，而實(shí)際應(yīng)用的器件設(shè)計需要考慮多種服役因素、多場耦合和海量計算，各種超材料的專用設(shè)計技術(shù)尚需進(jìn)一步發(fā)展。

（2）超材料的制備技術(shù)。超材料制備需要精密的材料加工，特別是一些電磁超材料（如太赫茲以上頻率的電磁超材料）的制備依賴于相關(guān)加工技術(shù)的進(jìn)步。

（3）大尺寸超材料的工程可行性和服役性能。超材料由大量的人工結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，這種單元陣列的可工程化及其服役性能（如機(jī)械性能、熱性能等）是其應(yīng)用的難點(diǎn)，例如，利用電磁斗篷實(shí)現(xiàn)軍事目標(biāo)的完美隱身需要在其外面包覆較厚的超材料“鎧甲”，如何將其減薄是一個重要難題。

為推動超材料技術(shù)的發(fā)展，建議采用以下措施：

（1）加強(qiáng)對超材料及其工程化領(lǐng)域的研發(fā)投入。在國家和地方各類科研計劃中提高對超材料研究的投入。面向技術(shù)路線清晰的重大需求，啟動相關(guān)研究專項(xiàng)，通過示范性研發(fā)，帶動通用技術(shù)的完善。

（2）通過政策引導(dǎo)推動超材料產(chǎn)業(yè)鏈的形成。將超材料應(yīng)用列入國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃，培育基于超材料的新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，鼓勵超材料向信息技術(shù)、常規(guī)材料、能源、國防軍工、精密儀器等領(lǐng)域滲透。

（3）重視超材料與常規(guī)材料的融合。加快建立超材料應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)發(fā)展基于超材料思想和常規(guī)功能的新型材料系統(tǒng)，推動這些超材料走向傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，形成顛覆性技術(shù)。

（4）重視超材料的科普工作。通過多種方式，使科技界、工業(yè)界以及公眾對超材料的科學(xué)意義和應(yīng)用價值有更全面的理解，增強(qiáng)全社會對這一新興顛覆性技術(shù)的重視，提高企業(yè)和國防部門對超材料應(yīng)用的積極性。