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樓主 |
發(fā)表于 2015-5-19 09:47:23
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那么問題來了——究竟什么是超材料,？
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8 g& \+ X; j5 m! d% ?0 \ 超材料，英文稱為Metamaterial,，其中拉丁語詞根“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,�,！�
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4 U* H' O+ ]* ~6 [$ q; q 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,？8 E1 M6 Q+ B9 O7 Q
3 R8 o# @+ y5 H, X 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,，并在理論上預(yù)測(cè)了上述“反�,！爆F(xiàn)象。只是由于沒有實(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。) s# U3 O9 b$ l! j
# @( Y9 ~2 V* F% N! \ 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,，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,、無線電波,、聲波甚至地震波彎曲的夢(mèng)想。
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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,。
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國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈
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& }9 K+ ?8 S; F5 ~9 _9 A1 [8 v 這場(chǎng)變革已經(jīng)到來,。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,。
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* Y; p3 }: {1 \6 M, h; ] 例如,，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)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,。
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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),。3 ~8 o5 [( D/ g# ]5 F2 F4 X% D1 ?
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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,。9 o! Z% l7 W& y$ ~4 |0 C: B( D; j- v
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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。
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法國(guó)科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)了通過超材料墻壁和地面精確打孔來轉(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。. e/ h" A2 W" }2 {5 ?% b' y0 r
7 D2 k# [! [# Y. v2 ~ 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,。通過小型開關(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^感應(yīng)地面軟硬度而自動(dòng)調(diào)節(jié)的鞋子。
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; _# n1 _1 o( y# Q J# n 目前,，基于這些實(shí)驗(yàn)成果展開的產(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),。
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/ \2 p8 v5 P) V7 ]( W/ m& ^! ] o合力攻關(guān) 注重應(yīng)用
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我國(guó)領(lǐng)跑有優(yōu)勢(shì) Y. S5 N; \9 ]4 e8 ?/ b
, K5 x: t( p7 Y, B 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),。
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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)過幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)超過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,。; S; b" z9 x/ C6 n$ C% M5 d
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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”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。) t& ^! x i: W' V/ b+ u
8 {) ?( [2 S; l, Z5 z- V, F 美國(guó)類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計(jì)劃今年才開始,，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在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競(jìng)爭(zhēng)之一,。8 D- u" K3 [1 l' n3 H% ~' y9 Q/ `
" V4 G- @+ @* i0 U8 j 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),，通過對(duì)材料進(jìn)行編碼，獲得了一塊邊長(zhǎng)18厘米,、包括10萬個(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)未來太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。
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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》,。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,。
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6 Y6 _! o. t- _ 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�,？梢灶A(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。$ b5 y; }4 \4 x& t' A4 E% A( Y1 P
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利用駕馭電磁波的超材料技術(shù)來建造未來世界,，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點(diǎn),。應(yīng)當(dāng)說，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,。
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專家視點(diǎn)——, w& P% c+ U( K+ r f9 [
1 ^8 D5 c: E+ i1 `" T3 [ “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，最近又開始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾,。
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——德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授
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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),。
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) r6 x& n! ]: d& U ——中國(guó)工程院院士段寶巖/ [# h8 C% t U' f" m7 ?, F
% S1 G( A/ o8 @/ V: H 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,。
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9 O8 [! T( L( `8 W9 u ——中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司副總工程師周少雄（人民日?qǐng)?bào)海外版） |
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發(fā)表于 2015-5-19 09:44:28
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