超材料是通過在材料關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個(gè)具有重要軍事應(yīng)用價(jià)值和廣泛應(yīng)用前景的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將對(duì)未來武器裝備發(fā)展和作戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響。

新型材料顛覆傳統(tǒng)理論

盡管超材料的概念出現(xiàn)在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克托·韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量以及波矢之間的關(guān)系將不再遵循作為經(jīng)典電磁學(xué)基礎(chǔ)的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“負(fù)折射率關(guān)系”。這種物質(zhì)將顛覆光學(xué)世界，使光波看起來如同倒流一般，并且在許多方面表現(xiàn)出有違常理的行為，例如光的負(fù)折射、“逆行光波”、反常多普勒效應(yīng)等。這種設(shè)想在當(dāng)時(shí)一經(jīng)提出，就被科學(xué)界認(rèn)為是“天方夜譚”。

隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對(duì)稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設(shè)計(jì)新思路，成為新材料研發(fā)的重要任務(wù)。2000年，首個(gè)關(guān)于負(fù)折射率材料的報(bào)告問世；2001年，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的超材料；2002年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員從理論上證實(shí)了負(fù)折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范圍內(nèi)取得了多項(xiàng)研究成果，被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為當(dāng)年全球十項(xiàng)重大科技進(jìn)展之一。此后，超材料研究在世界范圍內(nèi)取得了多項(xiàng)成果，維克托·韋謝拉戈的眾多預(yù)測(cè)都得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)有的超材料主要包括：負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規(guī)材料相比，超材料主要有3個(gè)特征：一是具有新奇人工結(jié)構(gòu)；二是具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；三是采用逆向設(shè)計(jì)思路，能“按需定制”。

負(fù)折射率材料具有介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的電磁特性，電磁波在該介質(zhì)中傳播時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循負(fù)折射率螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象。負(fù)折射率材料的實(shí)現(xiàn)使人類具備了自由調(diào)控電磁波的能力，這對(duì)未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測(cè)、強(qiáng)磁場(chǎng)、太陽能和微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，是一種介電常數(shù)周期性分布的電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認(rèn)為是未來的半導(dǎo)體，對(duì)光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達(dá)隱身等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。

“電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導(dǎo)電磁波螺旋式行進(jìn)，直至被黑洞吸收，使基于引力場(chǎng)的黑洞很難在實(shí)驗(yàn)室里模擬和驗(yàn)證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅將為太陽能利用技術(shù)增加新的途徑，產(chǎn)生全新的光熱太陽能電池，還能應(yīng)用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號(hào)探測(cè)能力。

頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成。其可對(duì)不同頻段的入射電磁波進(jìn)行有選擇性的發(fā)射或傳輸，已被廣泛應(yīng)用于微波天線和雷達(dá)罩的設(shè)計(jì)中，也可用于反射面天線的負(fù)反射器，以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用 ，提高天線的利用率。

巨大價(jià)值引發(fā)全球關(guān)注

超材料研究的重大科學(xué)價(jià)值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出的革命性應(yīng)用前景，使其得到了美國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本等國(guó)政府，以及波音、雷神等機(jī)構(gòu)的強(qiáng)力關(guān)注，現(xiàn)在已是國(guó)際上最熱門、最受矚目的前沿高技術(shù)之一。2010年，美國(guó)《科學(xué)》雜志將超材料列為21世紀(jì)前10年自然科學(xué)領(lǐng)域的10項(xiàng)重大突破之一。當(dāng)前，國(guó)外的研究領(lǐng)域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、超材料設(shè)計(jì)、超材料加工制造和超材料的應(yīng)用。

美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，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)空軍科學(xué)研究辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”；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。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，至少支持兩個(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（約合1.5億人民幣），同時(shí)將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

在多個(gè)項(xiàng)目的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列新進(jìn)展。例如，美國(guó)能源部勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與加利福尼亞大學(xué)合作完成了負(fù)折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國(guó)加利福尼亞大學(xué)完成了利用負(fù)折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國(guó)普渡大學(xué)和諾福克州立大學(xué)合作完成了負(fù)折射率材料對(duì)光線吸收的研究；2013年以來，美國(guó)陸軍和普渡大學(xué)研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)制造出了全球首個(gè)非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個(gè)方向都會(huì)得到增強(qiáng)；2014年，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心和法國(guó)波爾高等化學(xué)物理學(xué)院的研究人員通過結(jié)合物理化學(xué)組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個(gè)三維超材料。

在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國(guó)家和機(jī)構(gòu)近年來啟動(dòng)了多項(xiàng)研究計(jì)劃。如DARPA實(shí)施的負(fù)折射率材料研究計(jì)劃；美國(guó)杜克大學(xué)開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級(jí)和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國(guó)企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計(jì)劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助計(jì)劃資助，對(duì)超材料技術(shù)進(jìn)行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達(dá)天線、吸波材料、電子對(duì)抗雷達(dá)、通信天線、無人機(jī)載雷達(dá)等。

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