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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,？ o! ^$ G; s) m" Z
: V6 h2 I2 W4 ]+ i/ d5 N 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,�,！�2 `1 Z0 z$ s7 F
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首先讓我們從中學(xué)物理課上老師都會演示的一個現(xiàn)象說起：當(dāng)一束光從空氣斜射入水中，會產(chǎn)生入射光和折射光,，它們居于法線的兩側(cè),。因為這種反射現(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，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢,？
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' P1 }; g t6 J 其實早在1968年時,，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個疑問,，并在理論上預(yù)測了上述“反�,！爆F(xiàn)象。只是由于沒有實驗驗證,，加之當(dāng)時處于功能材料發(fā)展初期,，人們對菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。
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根據(jù)廣義相對論,，時間和空間都是可以“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)計制造出各種超材料，實現(xiàn)了讓光波,、雷達(dá)波,、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想,。
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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(jì)前10年的10項重要科學(xué)進展之一,，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(xì)加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革,。
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- 群雄競逐 你追我趕
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3 p: k* g) q; Q+ y" \' A 國際競爭日益激烈
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( m% W5 G' W! F0 D1 q# q, I 這場變革已經(jīng)到來。發(fā)達(dá)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,。 R" |! k$ i7 r& n% ?
' e1 J8 K; ?1 T( L 例如,，美國國防部專門啟動了關(guān)于超材料的研究計劃，美國最大的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,。美國國防部更是將其列為“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，支持至少兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項目,，每個項目約為30億日元,。( s$ j" B2 f5 P9 S$ v! j+ Y
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在各國科學(xué)家的實驗室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn),。
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# b7 o* v% @7 F8 D7 R" ]; t 美國的科學(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”,，如航天飛機或者噴氣式發(fā)動機的隔熱設(shè)備。
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# w2 ^; X1 Z! \1 k 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(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。而包括美國國防高級研究計劃署在內(nèi)的軍方機構(gòu),，尋求的正是這種隱藏技術(shù),，以便讓飛機在軍事雷達(dá)探測范圍內(nèi)隱身。
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法國科學(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。
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& ^% O3 p- ^, h3 d7 Q 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,，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階段進行快速轉(zhuǎn)變,。借助這種材料,，人們不久或?qū)⒖梢源┥夏芡ㄟ^感應(yīng)地面軟硬度而自動調(diào)節(jié)的鞋子。8 t0 G+ T* P# @, K
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目前,，基于這些實驗成果展開的產(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,、電子對抗雷達(dá),、超材料通信天線、無人機雷達(dá),、聲學(xué)隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用,，已經(jīng)成為各國競爭的焦點。) w$ l; \2 x2 K
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合力攻關(guān) 注重應(yīng)用
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我國領(lǐng)跑有優(yōu)勢3 a- U4 K5 U8 A. b! x
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相比于不少國家相對分散的發(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(fù)折射等基礎(chǔ)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,。+ m* t3 h& |! G5 S I% D7 h
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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)過幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請超過2800件專利,，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?6%,，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%,，可實現(xiàn)高達(dá)2微米的工藝精度,。他們還設(shè)計了超材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化流程。
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以其設(shè)計的電磁超材料天線為例,，運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,、火車,、輪船、汽車就能在移動網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠(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方向盯著一顆衛(wèi)星,。8 w2 ^8 o* x" @- k$ I. x- D
7 ]: Z1 k z% d+ m+ {8 A; c 美國類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計劃今年才開始,，而光啟早在3年前便在我國22個省份進行了安裝試用,。而這，僅僅是中美之間近年來在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競爭之一,。
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另一方面,，我國在超材料的微結(jié)構(gòu)加工方面也取得了長足進步。去年,，中南大學(xué)教授黃小忠的團隊利用3D打印機,，通過對材料進行編碼，獲得了一塊邊長18厘米,、包括10萬個物理單元的具有隱身性能的超材料,，這樣可以實現(xiàn)我國未來太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。4 c! i9 F+ C$ H
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此外,，為了打破歐美對超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的壟斷,，上月，全國電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會審查和報批了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語》,。這意味著,，我國在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化起到重要作用,。
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有調(diào)研公司預(yù)測,，超材料全球市場規(guī)模在2010—2020年間將以高達(dá)41%的年復(fù)合增長率發(fā)展�,？梢灶A(yù)計,，隨著全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大,，一個可帶動諸如高速列車,、新型地面行進裝備、航空航天,、國防科技,、地面智能機器人等領(lǐng)域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。
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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,。應(yīng)當(dāng)說，我們在這方面擁有明顯優(yōu)勢,，完全有條件成為這場創(chuàng)新革命的領(lǐng)跑者,。
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- w9 i! k9 k. a# F6 d% w+ D 專家視點——7 {4 h; P. v6 Q- g m4 x/ g
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“超材料”這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學(xué)領(lǐng)域引發(fā)轟動,，接著長驅(qū)直入,，進入包括熱力學(xué)在內(nèi)的多個領(lǐng)域，最近又開始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。% F: ^7 Q) K* G
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——德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授: |8 z l: x; r3 b- f8 _6 ^
! g$ ]) K! F8 {$ r3 {& h$ U1 B7 m( _ 超材料對航空航天,、國防,、民用科學(xué)技術(shù)的促進表明，新材料將會成為科學(xué)研究中一個很重要的切入點和方向,，將會對眾多領(lǐng)域帶來沖擊和影響,，并產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)，這個意義極為深遠(yuǎn),。9 }5 Z0 E$ \* X) |
# q/ z5 u: l1 r1 k& h ——中國工程院院士段寶巖) O* ^5 z* b% x* g! l
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超材料的設(shè)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(yīng)進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,，選擇合理技術(shù)路線,，制定符合超材料技術(shù)發(fā)展趨勢、與我國國情相適應(yīng)的超材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略,。" y( T( [, N2 p, W: M8 T" m7 _
5 a: m; ?" q# ~- }( H6 T ——中國鋼研科技集團有限公司副總工程師周少雄（人民日報海外版） |
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發(fā)表于 2015-5-19 09:44:28
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