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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. t/ u" Q9 `3 d" g0 y1 d
" g# d7 T ^: I 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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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?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，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢,？
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其實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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,。8 v6 B( S7 \7 Z# n) l z7 [: L
- B) e( t) i# X" C3 s 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(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想,。+ ?6 U$ l Z7 z8 w- {
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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(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。$ S1 `# P/ g- D1 e# t/ Y8 _
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- 群雄競逐 你追我趕
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4 y) `( Y+ g) g! M 國際競爭日益激烈9 T* R1 Q0 c9 }. y& u+ W; E1 {
x6 t6 r$ C3 S1 E1 f/ j; \ 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。
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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(fèi)支持,。日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺了一項(xiàng)研究計劃,，支持至少兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項(xiàng)目，每個項(xiàng)目約為30億日元。# {4 M, C" c) @8 o$ W' Z8 V
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在各國科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中,，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。
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6 r/ W/ M, f, _1 u: u' v 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(jī)或者噴氣式發(fā)動機(jī)的隔熱設(shè)備,。2 _$ n. w9 o6 I- a p8 W6 p/ p
2 M- g6 B9 o/ o7 \1 P) l# m+ c 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(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)探測范圍內(nèi)隱身,。9 j4 ~- Z+ G' O5 H. B! s0 U, e! W
) A( u9 N; \$ |' \0 q9 ?, f& x% u 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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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(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)地面軟硬度而自動調(diào)節(jié)的鞋子,。: Q" i( `9 R' u
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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)成為各國競爭的焦點(diǎn)。7 r+ a1 u) b( M5 H+ j9 ?* g1 u: N
. j5 a. V" p9 B; n* k) a3 w* M合力攻關(guān) 注重應(yīng)用1 i% `+ j1 g! y( H: X
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我國領(lǐng)跑有優(yōu)勢( A5 n2 I0 J3 J5 K- M) a" T1 J
6 y7 @- c$ \+ I3 Q 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(xiàng)等項(xiàng)目中對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)化競爭中占到先機(jī)。
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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(tuán)隊(duì)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(shí)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,。' V+ s1 p2 l! I
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以其設(shè)計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,。
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% E2 z7 n: Y, U2 C( g 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(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(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),，通過對材料進(jìn)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(shí)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 w5 ~. I. I" {1 { g
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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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( K6 O5 s7 b9 b 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,。可以預(yù)計,，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，一個可帶動諸如高速列車,、新型地面行進(jìn)裝備,、航空航天、國防科技,、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,。
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/ z+ ^; `: W% U( K7 ?8 f+ c- y 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,。" i9 J: }, E1 [& c3 Y- ]- y
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專家視點(diǎn)——% h D+ N) F* v2 _
# L/ B4 ~ Y: T5 A “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(jìn)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。+ T7 w' [. B, S8 F
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——德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授# Y2 `5 a5 i" U. o
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超材料對航空航天,、國防,、民用科學(xué)技術(shù)的促進(jìn)表明，新材料將會成為科學(xué)研究中一個很重要的切入點(diǎn)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),。# b7 O" m; O, Z, B
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——中國工程院院士段寶巖7 I; G, c* B, {* W
; `4 t; h i' c$ S1 K 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(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,，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。 X# F0 U- p) }" P# b# M. u; @
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——中國鋼研科技集團(tuán)有限公司副總工程師周少雄（人民日報海外版） |
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