制造隱形戰(zhàn)機(jī)是超材料重要應(yīng)用領(lǐng)域之一

　　圖為應(yīng)用超穎射頻技術(shù)（Meta-RF）的新型衛(wèi)星通信產(chǎn)品。該產(chǎn)品是深圳一家公司基于超材料與Meta-RF電磁調(diào)制創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)的一系列衛(wèi)通專利產(chǎn)品及解決方案。這一系列產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是對(duì)衛(wèi)星通信電波的靈活調(diào)制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品便攜化、共形化等，進(jìn)而滿足個(gè)性化需求。這項(xiàng)技術(shù)獲得首屆中國(guó)電子信息博覽會(huì)創(chuàng)新金獎(jiǎng)。

　　也許風(fēng)靡一時(shí)的動(dòng)畫(huà)片《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中主人公發(fā)明的微型機(jī)器人及其聚集體曾讓您大呼神奇，也許您曾對(duì)小說(shuō)《哈利·波特》中那件隱身斗篷印象深刻，也許您也對(duì)自然界的偽裝大師烏賊和變色龍能夠瞬間變色的皮膚而匪夷所思……

　　事實(shí)上，借助一種被稱為“超材料”的東西，全球的材料學(xué)家和物理科學(xué)家們正在將上述聽(tīng)起來(lái)十分“科幻”的東西變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)：“隱形”飛機(jī)、筆記本大小的衛(wèi)星天線、能感應(yīng)地形的智能鞋子、能復(fù)原的彈性陶瓷、可減輕地震或海嘯影響的防護(hù)墻壁等等。

　　這種超材料的新奇之處在于，通過(guò)復(fù)雜的人工手段對(duì)物質(zhì)原子、分子施加影響來(lái)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，讓光波、雷達(dá)波、無(wú)線電波、聲波甚至地震波彎曲。這種超材料被科學(xué)家譽(yù)為“由材料組成的‘材料’”。

　　上月，《電磁超材料術(shù)語(yǔ)》向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)報(bào)批，標(biāo)志著我國(guó)在超材料領(lǐng)域即將擁有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，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，對(duì)于處在超材料應(yīng)用領(lǐng)先地位的中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)，步子更快一些，膽子再大一點(diǎn)，力爭(zhēng)在未來(lái)一些戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)及人工智能革命領(lǐng)域引領(lǐng)世界潮流。因?yàn)橛幸稽c(diǎn)毋庸置疑：未來(lái)的世界，將由超材料來(lái)建造。

　　“彎曲光、改變波”

　　超材料性能神奇

　　材料，人類社會(huì)各大產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根基。隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷深入，傳統(tǒng)高性能材料對(duì)稀缺資源的依賴程度越來(lái)越高，而科學(xué)家們?cè)谧匀唤鐚ふ揖哂谐锢硖匦缘奶烊徊牧系膰L試卻收效甚微。在這種情況下，科學(xué)家意識(shí)到，要想獲得那些超越常規(guī)材料性能極限的新型功能性材料，必須另起爐灶。

　　2000年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家戴維·史密斯和他的同事做的一個(gè)新奇實(shí)驗(yàn)，讓全球的材料科學(xué)家們對(duì)物質(zhì)世界的看法發(fā)生了一些改變。試驗(yàn)中，一種運(yùn)用微波技術(shù)的材料成功地把一個(gè)直徑5厘米的銅制小圓筒隱藏起來(lái)，雖然這一隱形范圍只相當(dāng)于一粒豌豆。

　　這一實(shí)驗(yàn)讓文學(xué)描寫(xiě)中不斷出現(xiàn)、而根據(jù)傳統(tǒng)光學(xué)定律根本不可能實(shí)現(xiàn)的“隱身衣”有了問(wèn)世的可能，也宣告了超材料學(xué)的誕生。

　　那么問(wèn)題來(lái)了——究竟什么是超材料？

　　超材料，英文稱為Metamaterial，其中拉丁語(yǔ)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?！?/p>

　　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(shuō)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？

　　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(wèn)，并在理論上預(yù)測(cè)了上述“反?！爆F(xiàn)象。只是由于沒(méi)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。

　　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(lái)，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(guò)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(wú)線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢(mèng)想。

　　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。

　　群雄競(jìng)逐　你追我趕

　　國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈

　　這場(chǎng)變革已經(jīng)到來(lái)。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。

　　例如，美國(guó)國(guó)防部專門(mén)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。

　　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)。

　　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(wú)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。

　　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。

　　法國(guó)科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了通過(guò)超材料墻壁和地面精確打孔來(lái)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。

　　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(guò)小型開(kāi)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^(guò)感應(yīng)地面軟硬度而自動(dòng)調(diào)節(jié)的鞋子。

　　目前，基于這些實(shí)驗(yàn)成果展開(kāi)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(wú)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)。

　　合力攻關(guān)　注重應(yīng)用

　　我國(guó)領(lǐng)跑有優(yōu)勢(shì)

　　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)。

　　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(wú)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(guò)幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)超過(guò)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(wú)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。

　　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(huà)”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。

　　美國(guó)類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計(jì)劃今年才開(kāi)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(lái)在超材料核心領(lǐng)域展開(kāi)的激烈競(jìng)爭(zhēng)之一。

　　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(guò)對(duì)材料進(jìn)行編碼，獲得了一塊邊長(zhǎng)18厘米、包括10萬(wàn)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(lái)太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。

　　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(yǔ)》。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。

　　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。可以預(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。

　　利用駕馭電磁波的超材料技術(shù)來(lái)建造未來(lái)世界，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，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。

　　專家視點(diǎn)——

　　“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(kāi)始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。

　　——德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授

　　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(lái)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)。

　　——中國(guó)工程院院士段寶巖

　　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。

　　——中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司副總工程師周少雄（彭訓(xùn)文）