周濟(jì) 于相龍

我國超材料產(chǎn)業(yè)正處于風(fēng)起青萍之末。超材料具有超越天然材料屬性的超常物理性能，因而超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念具有方法論的意義，解除了天然材料屬性對創(chuàng)造設(shè)計(jì)的束縛。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步，具有更多樣化、更新奇力學(xué)特性的超材料物理模型也相繼不斷展現(xiàn)。當(dāng)超材料的個性化獨(dú)特微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印制造技術(shù)形成完美契合之時，兩者之間相互整合協(xié)同創(chuàng)新，正開啟全面推進(jìn)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造的新格局。

數(shù)字信息化時代的世紀(jì)之交，從高效能源生產(chǎn)與存儲到醫(yī)療成像諸多方面，智能超材料至關(guān)重要。智能超材料泛指能夠感知外界環(huán)境并做出響應(yīng)的一大類功能材料。智能超材料可通過人工特殊的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來調(diào)控電磁波和彈性波，展示均勻材料所不具備的新穎奇異力、熱、聲、光學(xué)性能。光學(xué)超材料研究深入，也被拓展到對聲和其它元激發(fā)的調(diào)控領(lǐng)域，如聲學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和多物理場耦合的超材料。協(xié)同增材制造技術(shù)，超材料正成為功能材料研究前沿。

超材料及其創(chuàng)新特性

什么是超材料？一般情況下，可能得到的答案是這樣的：超材料（Metamaterials）指的是一種特種復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)，通過對材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。因?yàn)檫@就是2015年頒布的電磁超材料術(shù)語（GB/T32005-2015）規(guī)定的。

而在這里，我們可以換個角度來理解超材料的設(shè)計(jì)理念（圖1）。為了讓不同的讀者群體理解，可以類比兩件事，一是積木玩具，二是電影蒙太奇。

首先，積木是不同幾何形狀的立體木制或塑料固體玩具，可以進(jìn)行不同的排列或搭接成各種樣式，可拼成房子或是小動物；類似地，超材料也具有由自然材料制成的“積木塊”（不過尺寸為微毫米級），稱為人工原子。用這些人工原子，也可以排列或搭接成具有不同形狀和功能的幾何結(jié)構(gòu)。如此得到的幾何結(jié)構(gòu)不僅僅只是玩具吧？可以做些什么吧？是的，那是一門藝術(shù)。

其次，可以通過類比電影蒙太奇理論來理解。蒙太奇（Montage）是來自法語建筑學(xué)概念，意為構(gòu)成和裝配。在電影領(lǐng)域引申為剪輯和組合，表示鏡頭的組接，就是將一系列在不同地點(diǎn)、從不同距離和角度、以不同方法拍攝的鏡頭排列組合起來，敘述情節(jié)刻畫人物。當(dāng)不同的鏡頭組接在一起時，往往又會產(chǎn)生單個鏡頭所不具有的含義。這一理念使得電影“從一種影像記錄技術(shù)走向一種影像創(chuàng)造技術(shù)”。而這種源自建筑概念的創(chuàng)新藝術(shù)理念，其本質(zhì)也體現(xiàn)在材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，超材料就是蒙太奇在材料科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。具體來說，就是將不同外形屬性的幾何結(jié)構(gòu)，類似積木塊的人工原子，重新排列組合起來，形成一種新功能材料。當(dāng)不同的人工原子組接在一起時，也往往會形成單個人工原子所沒有的材料屬性和功能特征。這種由不同幾何形狀材料的人工原子構(gòu)筑超材料的過程，就是新材料的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

為此，當(dāng)考察一個術(shù)語代表什么意思時，這是語義面向，而當(dāng)結(jié)合了其他詞語和其使用角度來考察時，就是處理了該術(shù)語的語用面向。無論如何，好的術(shù)語定義目的是在于讓爭辯聚集于事實(shí)，也就是說把用語之爭轉(zhuǎn)換成事實(shí)之辨，從而將理論研究推向深入探究。不過，科學(xué)家們的操作步驟的關(guān)鍵特征無非是最大限度地調(diào)用頭腦，不受任何拘限地重新組合設(shè)計(jì)新材料。一般情況下，常規(guī)自然材料的物理屬性取決于構(gòu)成材料的基本單元及其結(jié)構(gòu)，例如原子、分子、電子、價鍵、晶格等。這些基元與顯微結(jié)構(gòu)之間存在關(guān)聯(lián)影響。因此，在材料設(shè)計(jì)中需要考慮多種復(fù)雜的物性因素，而這些因素的相互影響也往往限定了材料性能固有極限。為此，超材料設(shè)計(jì)從根本上摒棄了自然原子設(shè)計(jì)所囿，利用人工構(gòu)筑的幾何結(jié)構(gòu)單元，在不違背物理學(xué)基本定律的前提下，以期獲得與自然材料迥然不同的超常物理性質(zhì)的新材料。

簡言之，超材料是一大類型人工設(shè)計(jì)的周期性或非周期性的微結(jié)構(gòu)功能材料，具有超越天然材料屬性的超常物理性能。超材料借助人工功能基元構(gòu)筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)源起于（但不限于）對自然材料微結(jié)構(gòu)的模仿，從而獲得為人類所希冀的負(fù)折射、熱隱身、負(fù)剛度、輕質(zhì)超強(qiáng)等天然材料所不能呈現(xiàn)的光、熱、聲、力學(xué)等奇異性能。從這個角度講，超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念具有方法論的意義，解除了天然材料屬性對創(chuàng)造設(shè)計(jì)的束縛。盡管這一理念早在上個世紀(jì)就已在電磁領(lǐng)域初具雛形，不過直至近十年來，方才開啟研發(fā)電磁波的調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、完美成像、完美隱身等新穎功能。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步，具有更多樣化、更新奇力學(xué)特性的力學(xué)超材料物理模型也相繼不斷展現(xiàn)。尤其是當(dāng)超材料的個性化獨(dú)特微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印制造技術(shù)形成了完美的契合之時，兩者之間相互整合協(xié)同創(chuàng)新，正開啟全面推進(jìn)材料創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造的新格局。

超材料類型及研究現(xiàn)狀

材料的屬性，不是僅僅由一種物性決定，也不是幾種晶體學(xué)特性的總和，或是一系列的微尺度晶界工程特性來決定的，而是由材料晶體結(jié)構(gòu)各個單元之間的本構(gòu)關(guān)系，也就是不同晶格單元之間如何組合的結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系所決定的，而這些外在表現(xiàn)出來的宏觀物理學(xué)的行為屬性，發(fā)揮著其應(yīng)有的可利用價值。例如，需要一種密度低的輕質(zhì)材料，那么就要把質(zhì)量密度和強(qiáng)度放在一起來考量?！叭藗冎挥信c線性思想決裂，才能以既統(tǒng)一又特定的方式解釋實(shí)踐的無限多樣性，從而致力于重建表現(xiàn)在每個因素中的錯綜復(fù)雜的關(guān)系”（布爾迪厄《區(qū)分》）。超材料的人工幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中一個顯著特點(diǎn)正是從有條理簡單的線性體系上升到非線性系統(tǒng)，如圖2所示不同類型的超材料，其中光學(xué)超材料基于非線性光學(xué)對電磁波進(jìn)行調(diào)控。

光學(xué)超材料

光學(xué)超材料能夠控制電場和磁場，從而可以在正值、負(fù)值和接近零值的范圍內(nèi)精確調(diào)整介電常數(shù)和滲透率。通過對亞波長“人工原子”的精心設(shè)計(jì)，光學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射、低于光的衍射極限的光學(xué)透鏡和隱形效應(yīng)。電磁波調(diào)控可包括數(shù)字可編程、光開關(guān)、可記憶功能、信息處理器件以及自旋電子器件等。占應(yīng)用主導(dǎo)的光學(xué)超材料，也適用于在不同頻段產(chǎn)生響應(yīng)的超表面柔性基底大變形及其等離子激元器件。

光學(xué)超材料在信息技術(shù)應(yīng)用方面以負(fù)折射材料最為典型，它可以獲得沒有衍射極限的完美透鏡，因而對任何微細(xì)圖形進(jìn)行多次復(fù)制，這對微電子技術(shù)將產(chǎn)生重要影響。光學(xué)超材料可調(diào)控包括太赫茲在內(nèi)的不同頻段電磁波，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，包括隱身衣、電磁黑洞、雷達(dá)幻覺器件、遠(yuǎn)場超分辨率成像透鏡、新型透鏡天線、隱身表面、極化轉(zhuǎn)換器、混合集成電路等軍事國防領(lǐng)域。

聲學(xué)超材料

與光學(xué)超材料類似，聲學(xué)超材料是通過人為設(shè)計(jì)由兩種或以上材料構(gòu)成周期性/非周期性幾何結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)單元尺寸遠(yuǎn)小于波長，該人工結(jié)構(gòu)功能材料可以在長波極限下反演得到相應(yīng)的有效彈性參數(shù)。聲學(xué)超材料也展現(xiàn)了許多奇異的物理現(xiàn)象和超常規(guī)聲學(xué)效應(yīng)，如聲波低頻帶隙、聲負(fù)折射、聲聚焦、聲隱身、聲定向傳輸?shù)取Ｔ诜蔷€性領(lǐng)域，非諧振聲傳輸線超材料可呈現(xiàn)雙負(fù)本構(gòu)參數(shù)，并且不依賴于諧振微單元，具有寬頻帶和低損耗等優(yōu)勢。結(jié)合變換聲學(xué)和線性坐標(biāo)變換，可以設(shè)計(jì)出各向異性的材料參數(shù)，以獲得聲波的隱身效果。這種調(diào)節(jié)材料有效參數(shù)的方法可以應(yīng)用到其他變換聲學(xué)的領(lǐng)域，比如設(shè)計(jì)聲波全向吸收體、聲全向偶極輻射、聲波幻象或者在聲波中實(shí)現(xiàn)類光的一些新奇效應(yīng)等。

聲學(xué)超材料可應(yīng)用于人工聲子帶隙材料和吸聲材料。人工聲子帶隙材料可以與仿生學(xué)結(jié)合，比如人耳識別系統(tǒng)、果蠅定向系統(tǒng)、蝙蝠定位系統(tǒng)等。吸聲材料對于音頻聲學(xué)，水下超聲的吸聲層消聲瓦等水聲學(xué)，實(shí)現(xiàn)薄層、低頻、寬帶的吸聲效應(yīng)。此外，還可用于實(shí)現(xiàn)亞波長聲學(xué)信息處理的超高分辨率聲透鏡、聲學(xué)器件集成和聲場微尺度調(diào)控，在分子醫(yī)學(xué)超聲成像、微納結(jié)構(gòu)無損檢測等方面都有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。

熱學(xué)超材料

自然材料的熱導(dǎo)系數(shù)在空間均勻分布，熱量從溫度高的一端直線流向溫度低的一端。這是人們所熟知的熱傳導(dǎo)模式。借助于已經(jīng)成熟的光學(xué)超材料對光波的調(diào)控機(jī)理，基于對宏觀熱擴(kuò)散方程的空間變換，熱學(xué)超材料可以實(shí)現(xiàn)熱流的“空間壓縮”，從而調(diào)控?zé)崃鞣较?。通過構(gòu)造不同空間分布的非均勻熱輸運(yùn)介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)對熱流方向的精確控制，使得熱流可以繞過目標(biāo)物體或者聚焦于目標(biāo)物體，產(chǎn)生諸如熱隱身、熱反轉(zhuǎn)、熱匯聚以及熱偽裝等奇特功能。

熱學(xué)超材料是可感知外部熱源并主動響應(yīng)、人工構(gòu)造而實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非均勻分布的功能材料，主要可用于微納米結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換，如控制熱流和利用熱能，以及利用聲子進(jìn)行信息傳輸和處理。其中熱二極管、熱三極管、熱邏輯門、熱存儲器等概念，奠定了聲子學(xué)的理論基礎(chǔ)。為此，熱能超材料將會在很多領(lǐng)域有巨大的潛在用途，如建筑節(jié)能材料、太陽熱能利用、新一代低能耗綠色微/納米電子器件、隔熱保護(hù)、熱輻射偽裝、廢熱回收和應(yīng)用、控制熱量定向輻射可制成航空器（衛(wèi)星）蒙皮等。此外可以同時控制信息和熱能耗散，這將是未來低能耗綠色電子器件的發(fā)展方向。

力學(xué)超材料

在光學(xué)和聲學(xué)超材料成功研發(fā)的基礎(chǔ)上，力學(xué)超材料已被開發(fā)用于獲得特殊或極端彈性張量和質(zhì)量密度張量，從而以前所未有的方式，塑造著靜態(tài)應(yīng)力場或縱向/橫向彈性振動流場。這些超常的力學(xué)性能主要包括負(fù)泊松比、負(fù)彈性、負(fù)剛度、負(fù)可壓縮性。如圖3所示，常規(guī)材料被拉伸時收縮，而負(fù)泊松比材料在拉伸時是會膨脹的。在靜水壓力作用下常規(guī)材料會收縮，而負(fù)可壓縮超材料卻一反常態(tài)，在外力作用下不會收縮，反而出現(xiàn)一個或兩個方向上的膨脹效應(yīng)。目前，正在開發(fā)的典型力學(xué)超材料包括負(fù)泊松比拉脹、輕質(zhì)超強(qiáng)、負(fù)質(zhì)量密度、負(fù)模量、五模式反脹、各向異性質(zhì)量密度、折紙、非線性、雙穩(wěn)態(tài)、可重編程和地震波屏蔽等類型和結(jié)構(gòu)的力學(xué)超材料。

力學(xué)超材料是基于多孔、手性/反手性、五模式等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來調(diào)控彈性波的一類新興超材料。利用3D打印技術(shù)可以制造個性化多樣化的不同幾何結(jié)構(gòu)材料，圖3顯示的是正負(fù)泊松比可編譯調(diào)節(jié)在-12到12之間的負(fù)泊松比拉脹材料。其呈現(xiàn)的高壓痕抵抗性、抗剪切性、能量吸收性和斷裂韌性，可有效地應(yīng)用于形狀記憶和生物假體等組織工程和生物醫(yī)療。這些新型的靜態(tài)彈性力學(xué)超材料將在復(fù)合材料工業(yè)應(yīng)用、拉脹濾網(wǎng)、拉脹纖維、航空航海材料、深?？箟翰牧?，新型吸聲抗震材料、防彈衣等方面有廣泛應(yīng)用前景。比如利用拉脹材料結(jié)合變換光學(xué)，實(shí)現(xiàn)壓力智能控制的微波隱身材料。

負(fù)熱膨脹超材料

大部分自然材料熱膨脹系數(shù)為正值，即體積會隨著溫度的增加而變大，在溫度下降時體積也會減小。存在一些特殊材料，某個溫度區(qū)間內(nèi)熱膨脹系數(shù)為負(fù)數(shù)的材料，稱之為負(fù)熱膨脹材料。不過這類自然材料可調(diào)控的溫度空間比較窄，尤其是在外部空間中從-150℃到150℃，出現(xiàn)較大的溫度波動應(yīng)用時。為此，負(fù)熱膨脹超材料是指一類人工構(gòu)筑的幾何結(jié)構(gòu)材料，當(dāng)被加熱時整體幾何結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一個方向或是多方向的收縮效應(yīng)，并拓寬從正值到負(fù)值的熱膨脹系數(shù)范圍。

在室溫下表現(xiàn)出的負(fù)熱膨脹的力學(xué)超材料具有多種應(yīng)用，主要用于控制各種復(fù)合材料的整體熱膨脹。具有低熱膨脹系數(shù)的材料對溫度變化不太敏感，因此在諸多工程領(lǐng)域中都是有需求的，例如精密儀器、掃描電子顯微鏡、柔性電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)傳感器、熱致動器和微機(jī)電系統(tǒng)。低熱膨脹系數(shù)材料在航空航天部件中也特別重要，例如天基鏡和衛(wèi)星天線，這些部件構(gòu)建在地球上但在外部空間中操作，其中寬溫度波動可能導(dǎo)致不希望的形狀和尺寸收縮。負(fù)熱膨脹系數(shù)超材料可調(diào)節(jié)零或負(fù)熱膨脹系數(shù)，可用于衛(wèi)星天線、空間光學(xué)系統(tǒng)、精密儀器、熱執(zhí)行器和微機(jī)電系統(tǒng)，提高可調(diào)溫度范圍至1500℃，提高負(fù)熱膨脹系數(shù)30%，可達(dá)到高溫條件下材料零膨脹特性。

超材料的應(yīng)用前景

基于思想實(shí)驗(yàn)的超材料研究充滿了創(chuàng)新的機(jī)遇與創(chuàng)意的美感，為科學(xué)原理在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用提供廣闊的空間，也為解決人類面臨的重大技術(shù)和工程問題提出了一種嶄新的思路。我國超材料產(chǎn)業(yè)正處于風(fēng)起青萍之末?，F(xiàn)有智能超材料的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用雖說多限于軍事國防、部分公共設(shè)施等少數(shù)領(lǐng)域內(nèi)，尚未在國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域得到大規(guī)模推廣，不過未來不會僅限于此，超材料產(chǎn)業(yè)可以更具多樣化。如太赫茲超材料技術(shù)在石油勘測，可編程可穿戴超材料在紡織品工業(yè)，無線充電光學(xué)超材料在電動汽車等交通工具，電磁超表面在航空航天蒙皮材料，以及在移動通信中的無線信道技術(shù)等。這些愿景無疑有助于鼓勵一批創(chuàng)新能力較強(qiáng)的超材料骨干企業(yè)向縱深和多元化發(fā)展。

未來十年，電磁超材料將在原理摸索和工程應(yīng)用相結(jié)合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在智能超材料領(lǐng)域，超材料微結(jié)構(gòu)單元或群體將具備自感知、自決策、可控響應(yīng)等功能，通過與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)深度融合，形成材料級的CPS系統(tǒng)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料領(lǐng)域的突破式質(zhì)變。未來十年，智能超材料技術(shù)將完成工程產(chǎn)品的全面轉(zhuǎn)化，并在復(fù)雜電磁環(huán)境下聯(lián)合智能作戰(zhàn)平臺、智能隱身裝備、智能可控電磁窗、下一代雷達(dá)、立體電子戰(zhàn)、飛行器智能網(wǎng)絡(luò)、車輛交通智能網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備智能網(wǎng)絡(luò)、超材料智能物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)顛覆式產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。在隱身作戰(zhàn)方面，隨著各類隱身結(jié)構(gòu)件及隱身電磁窗設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷成熟，武器裝備在紅外波段到P、VHF波段的隱身性能全面提高，被雷達(dá)探測距離有望縮短90%以上。同時，電磁超材料的設(shè)計(jì)、仿真和加工能力將大幅提升，工作頻譜將從微波進(jìn)一步拓展到毫米波、太赫茲、光波段等；超材料的形式也由無源被動向智能可控、數(shù)字化可編程等主動方式演變。在天線方面，低成本、輕量化的共形天線設(shè)計(jì)技術(shù)將更為成熟，具備低副瓣、寬頻帶、低色散、可變覆蓋范圍等超出傳統(tǒng)天線性能的超材料新型天線將全面走向應(yīng)用?；谔沾珊图{米材料等新體系的電磁超材料將日趨成熟，電磁超材料的應(yīng)用廣度和深度將不斷拓展。

據(jù)預(yù)計(jì)，全球超材料市場規(guī)?？蛇_(dá)14.3億美元；2017-2025年復(fù)合年增長率將達(dá)63.1%。超材料研究和應(yīng)用也將延伸到聲、熱、力學(xué)等領(lǐng)域。基于聲學(xué)超材料的新型隔聲技術(shù)能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)、坦克、運(yùn)兵車、指揮所，乃至單兵降噪軍服和頭盔等軍事裝備的聲學(xué)隱身；聲學(xué)超材料有望讓潛艇穿上“隱聲衣”，從而不被低頻聲納和其他超聲波設(shè)備探測到。熱學(xué)超材料因可控?zé)彷椛浜涂煽責(zé)醾鲗?dǎo)的特異性能，有望為所有的作戰(zhàn)單元（包括飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈、單兵等）穿上熱隱身外衣，不僅實(shí)現(xiàn)熱學(xué)隱身，更能減少惡劣氣候（高寒、酷熱）引起的非戰(zhàn)斗減員；“熱幻象偽裝術(shù)”還能使作戰(zhàn)單元躲避敵方熱/紅外探測儀偵測。力學(xué)超材料因負(fù)泊松比、負(fù)壓縮轉(zhuǎn)換等特性，可用于制造觸覺斗篷、耐壓縮/耐拉伸材料、彈性陶瓷、可編程橡膠海綿、輕質(zhì)高強(qiáng)材料等，在耐疲勞發(fā)動機(jī)零件、防震動蒙皮、航空航天輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。