龍平

【摘要】 超材料（Metamaterial）是指一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，其由肉眼可見的周期或非周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本文主要介紹超材料技術(shù)的演進情況，結(jié)合超材料相關的專利申請數(shù)量對近年來超材料技術(shù)相關的專利進行了分析。通過分析專利國際分類號以及國內(nèi)外專利申請人的類型，探討了超材料技術(shù)在專利申請中的特點。

【關鍵字】 超材料 metamaterial 左手材料 負折射率 專利

一、引言

超材料（Metamaterial）是指一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，其由肉眼可見的周期或非周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。Metamaterial一詞最早由美國德州大學奧斯汀分校Rodger M. Walser教授于1999年提出。所謂“超”并不意味著這種材料的性能超越了自然界的材料，而是指超材料區(qū)別于自然界的天然材質(zhì)。超材料也叫奇異材料、特異材料、特異介質(zhì)、人工電磁媒質(zhì)等。

超材料的誕生與一類被稱為“左手材料”的研究息息相關，甚至在最初超材料所指的就是左手材料。左手材料的概念最早由前蘇聯(lián)科學院Lebedev物理研究所的物理學家Victor. G. Veselago在1967年提出。左手材料也被稱為雙負材料（DNM， double negative materials）、負折射率材料（NRI， negative refraction index materials）。

倫敦帝國學院的John Pendry在1996年提出了采用金屬線的周期結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)左手材料。在1999年，Pendry采用C形分裂環(huán)（SRR，Split-Ring Resonator）沿著電磁波傳播方向排布實現(xiàn)了負磁導率。在同一篇論文中，Pendry提出了金屬線和金屬環(huán)的周期性結(jié)構(gòu)能夠?qū)е仑撜凵渎省?/p>

2000年，加州大學圣迭戈分校的Smith等物理學家提出了在水平面周期排布的分裂環(huán)（SRR）結(jié)構(gòu)。該團隊在2002年又采用人工集總元件加載的傳輸線實現(xiàn)了負折射率的超材料。在2005年，梯度折射率媒質(zhì)的出現(xiàn)使得彎折電磁波成為了可能，這是超材料發(fā)展歷史上具有革命性的成果。到了2007年，來自全球不同地區(qū)的數(shù)個團隊都聲稱已經(jīng)實現(xiàn)了負折射率材料，特別是光學變換理論的引入，使得超材料的含義遠比左手材料寬泛。2009年年初，我國東南大學的崔鐵軍教授與美國杜克大學史密斯教授組成的國際合作團隊共同研制出了工作于微波段的二維寬頻帶“隱身衣”，這一研究成果發(fā)表在1月16日第323期的《科學》雜志上，引起了電磁學界的廣泛關注。

二、國內(nèi)外超材料專利申請分析

圖1顯示了從2000年到2012年關于超材料申請量的數(shù)量。從圖中可以看出，在2011年以前，在世界范圍內(nèi)關于超材料的專利逐年緩慢遞增，主要的申請仍來自國外，國內(nèi)相關的研究還處于萌芽期。但是在11和12年世界范圍內(nèi)申請量整體出現(xiàn)了急劇增加，而其中增加的數(shù)量主要是來自中國的申請，這說明從11年開始中國的專利申請人在超材料領域正迎頭趕上。

圖2公開了在這些申請當中國際專利分類號的分布情況。從中可以看出，微波天線的分類號H01Q和H01P占據(jù)了80%的申請量，其次是光學元件的分類號G02B。從中可以看出，目前超材料主要的應用范圍包括天線和微波器件以及光學元件，橫跨微波和光學兩大領域。其中，IPC分類號“H01Q：天線”是超材料一個重要的應用領域，該領域常見的與超材料相關的分類號有“H01Q1/36：輻射單元的結(jié)構(gòu)形式”、“H01Q1/38在絕緣支架上的導電層”、“H01P1/207空腔波導濾波器”、“H01P7/00波導型諧振器”等。其中H01Q1/38涵蓋了絕大部分用基板來承載導電圖形的超材料結(jié)構(gòu)。而在H01Q1/38分類號下該領域?qū)彶閱T所熟知的結(jié)構(gòu)是微帶貼片天線，與同一分類號下的超材料結(jié)構(gòu)二者互有交集。除此之外，一些采用了光學變換理論設計的超材料還涉及IPC分類號“G02B：光學元件、系統(tǒng)或儀器”。

而根據(jù)國內(nèi)申請量在10件以上的主要的申請人分析發(fā)現(xiàn)，深圳光啟高等理工研究院和深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司是超材料領域申請量最大的單位，其次是國內(nèi)的高校的申請，而來自企業(yè)的申請量較少，這說明國內(nèi)對超材料的研究還處在成長階段，還沒有從學術(shù)研究走向產(chǎn)業(yè)化應用。而國外主要申請人既有傳統(tǒng)的軍工背景的企業(yè)如Lockheed Martin，Boeing和Raytheon等，也有具有較強技術(shù)實力的創(chuàng)業(yè)型公司如Searette LLC，還有傳統(tǒng)消費電子領域的大公司如SONY，HP等，這顯示出超材料應用前景的廣泛。其中值得一提的是在Toyota的多個申請中，其共同申請人是美國的Duke大學，在這些申請中公開了將超材料結(jié)合雷達天線應用于汽車自動防碰撞技術(shù)領域。這說明美國對于超材料這一新興技術(shù)不僅僅停留在理論階段，還與企業(yè)針對實際應用共同開發(fā)，專利共享。這種以應用為導向并且具有前瞻性的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化模式值得國內(nèi)同行借鑒。

四、結(jié)束語

由上數(shù)據(jù)可知，在超材料這一新興領域，我國關于超材料技術(shù)的專利申請在質(zhì)量和數(shù)量上呈追趕和超越態(tài)勢，但是在產(chǎn)業(yè)化應用方面仍有提升的空間。

參 考 文 獻

[1] R Liu，C Ji，JJ Mock， et al. Broadband ground-plane cloak[J]. Science， 2009， 323（5912）： 366-369.