那么問(wèn)題來(lái)了——究竟什么是超材料？
超材料，英文稱(chēng)為Metamaterial，其中拉丁語(yǔ)詞根“meta-”表示“超出、另類(lèi)”等含義。一般文獻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)的人工復合結構或復合材料?！?br>首先讓我們從中學(xué)物理課上老師都會(huì )演示的一個(gè)現象說(shuō)起：當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(xiàn)的兩側。因為這種反射現象，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)，當光入射其表面時(shí)，入射光與折射光位居法線(xiàn)同側呢？
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)，并在理論上預測了上述“反?！爆F象。只是由于沒(méi)有實(shí)驗驗證，加之當時(shí)處于功能材料發(fā)展初期，人們對菲斯拉格的發(fā)現并未予以足夠重視。
根據廣義相對論，時(shí)間和空間都是可以“彎曲”的，而空間里的光線(xiàn)同樣可以彎曲，前提是設計并制作出足夠小的“設備”。近年來(lái)，科學(xué)家沿著(zhù)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構，將材料的單元結構（人工原子和人工分子）集合，通過(guò)不同的結合結構和排列設計制造出各種超材料，實(shí)現了讓光波、雷達波、無(wú)線(xiàn)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《科學(xué)》雜志將其列入本世紀前10年的10項重要科學(xué)進(jìn)展之一，引發(fā)了諸如新一代信息技術(shù)、國防工業(yè)、新能源技術(shù)、微細加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革。
群雄競逐你追我趕 國際競爭日益激烈
這場(chǎng)變革已經(jīng)到來(lái)。發(fā)達國家的政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對超材料技術(shù)的研發(fā)給予高度重視，制定了相關(guān)計劃，投入了大量人力和物力。
例如，美國國防部專(zhuān)門(mén)啟動(dòng)了關(guān)于超材料的研究計劃，美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。美國國防部更是將其列為“六大顛覆性基礎研究領(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)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個(gè)關(guān)于超材料技術(shù)的研究項目，每個(gè)項目約為30億日元。
在各國科學(xué)家的實(shí)驗室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現。
美國的科學(xué)家制造出一種反彈陶瓷管，相比傳統脆而硬的陶瓷，這種反彈陶瓷管在被壓縮50%后還能復原。這種陶瓷將在“普通物質(zhì)無(wú)能為力的地方大顯身手”，如航天飛機或者噴氣式發(fā)動(dòng)機的隔熱設備。
在德國，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(guān)測下，隱形材料改變了覆蓋物周?chē)饩€(xiàn)的速度，從而使覆蓋物和被覆蓋物一同消失。而包括美國國防高級研究計劃署在內的軍方機構，尋求的正是這種隱藏技術(shù)，以便讓飛機在軍事雷達探測范圍內隱身。
法國科學(xué)家則發(fā)現了通過(guò)超材料墻壁和地面精確打孔來(lái)轉移地震波，讓地震和海嘯偏離建筑物或城鎮，以達到減災的目的。
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)的控制和特殊的設計，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)行快速轉變。借助這種材料，人們不久或將可以穿上能通過(guò)感應地面軟硬度而自動(dòng)調節的鞋子。
目前，基于這些實(shí)驗成果展開(kāi)的產(chǎn)品轉化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷達天線(xiàn)、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線(xiàn)、無(wú)人機雷達、聲學(xué)隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國競爭的焦點(diǎn)。
合力攻關(guān)注重應用 我國領(lǐng)跑有優(yōu)勢
相比于不少?lài)蚁鄬Ψ稚⒌陌l(fā)展模式，我國在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專(zhuān)項等項目中對超材料研究予以立項支持。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折射等基礎研究方面，我國企業(yè)取得了多項原創(chuàng )性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機。
曾在美國留學(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)生團隊回國創(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申請超過(guò)2800件專(zhuān)利，約占相關(guān)領(lǐng)域專(zhuān)利申請總量的86%，該公司還在創(chuàng )建基于超材料的智慧社區、無(wú)線(xiàn)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構精試線(xiàn)，設備定制化程度高達70%，可實(shí)現高達2微米的工藝精度。他們還設計了超材料生產(chǎn)標準化流程。
以其設計的電磁超材料天線(xiàn)為例，運用一塊可折疊為筆記本大小、印著(zhù)“江南水鄉風(fēng)景畫(huà)”的電路板，飛機、火車(chē)、輪船、汽車(chē)就能在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )鞭長(cháng)莫及的偏遠地方連接衛星寬帶上網(wǎng)。不管衛星在天空中的哪個(gè)地方，該天線(xiàn)都能追蹤到，不必像傳統的碟形天線(xiàn)一樣總朝一個(gè)方向盯著(zhù)一顆衛星。
美國類(lèi)似產(chǎn)品的商業(yè)銷(xiāo)售計劃今年才開(kāi)始，而光啟早在3年前便在我國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)的激烈競爭之一。
另一方面，我國在超材料的微結構加工方面也取得了長(cháng)足進(jìn)步。去年，中南大學(xué)教授黃小忠的團隊利用3D打印機，通過(guò)對材料進(jìn)行編碼，獲得了一塊邊長(cháng)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)現我國未來(lái)太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。
此外，為了打破歐美對超材料技術(shù)標準的壟斷，上月，全國電磁超材料技術(shù)及制品標準化技術(shù)委員會(huì )審查和報批了國家標準《電磁超材料術(shù)語(yǔ)》。這意味著(zhù)，我國在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國家標準，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標準轉化起到重要作用。
有調研公司預測，超材料全球市場(chǎng)規模在2010—2020年間將以高達41%的年復合增長(cháng)率發(fā)展?？梢灶A計，隨著(zhù)全球“工業(yè)4.0”進(jìn)程持續深化、“智能+”應用領(lǐng)域不斷擴大，一個(gè)可帶動(dòng)諸如高速列車(chē)、新型地面行進(jìn)裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領(lǐng)域的千億規模的超材料產(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)。應當說(shuō)，我們在這方面擁有明顯優(yōu)勢，完全有條件成為這場(chǎng)創(chuàng )新革命的領(lǐng)跑者。
專(zhuān)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(zhù)長(cháng)驅直入，進(jìn)入包括熱力學(xué)在內的多個(gè)領(lǐng)域，最近又開(kāi)始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。
——德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授
超材料對航空航天、國防、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。
——中國工程院院士段寶巖
超材料的設計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。應進(jìn)一步明確在國家層面大力發(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(xiàn)，制定符合超材料技術(shù)發(fā)展趨勢、與我國國情相適應的超材料技術(shù)發(fā)展戰略。
——中國鋼研科技集團有限公司副總工程師周少雄
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