制造隱形戰(zhàn)機是超材料重要應用領(lǐng)域之一

　　也許風靡一時的動畫片《超能陸戰(zhàn)隊》中主人公發(fā)明的微型機器人及其聚集體曾讓您大呼神奇，也許您曾對小說《哈利·波特》中那件隱身斗篷印象深刻，也許您也對自然界的偽裝大師烏賊和變色龍能夠瞬間變色的皮膚而匪夷所思……

　　事實上，借助一種被稱為“超材料”的東西，全球的材料學家和物理科學家們正在將上述聽起來十分“科幻”的東西變?yōu)楝F(xiàn)實：“隱形”飛機、筆記本大小的衛(wèi)星天線、能感應地形的智能鞋子、能復原的彈性陶瓷、可減輕地震或海嘯影響的防護墻壁等等。

　　這種超材料的新奇之處在于，通過復雜的人工手段對物質(zhì)原子、分子施加影響來改變材料的力學性質(zhì)，讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲。這種超材料被科學家譽為“由材料組成的‘材料’”。

　　上月，《電磁超材料術(shù)語》向國家標準管理委員會報批，標志著我國在超材料領(lǐng)域即將擁有國家標準。目前，全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化、“智能+”應用領(lǐng)域不斷擴大，對于處在超材料應用領(lǐng)先地位的中國企業(yè)來說，步子更快一些，膽子再大一點，力爭在未來一些戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)及人工智能革命領(lǐng)域引領(lǐng)世界潮流。因為有一點毋庸置疑：未來的世界，將由超材料來建造。

　　“彎曲光、改變波” 超材料性能神奇

　　材料，人類社會各大產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根基。隨著工業(yè)化進程不斷深入，傳統(tǒng)高性能材料對稀缺資源的依賴程度越來越高，而科學家們在自然界尋找具有超物理特性的天然材料的嘗試卻收效甚微。在這種情況下，科學家意識到，要想獲得那些超越常規(guī)材料性能極限的新型功能性材料，必須另起爐灶。

　　2000年，美國加州大學圣地亞哥分校的物理學家戴維·史密斯和他的同事做的一個新奇實驗，讓全球的材料科學家們對物質(zhì)世界的看法發(fā)生了一些改變。試驗中，一種運用微波技術(shù)的材料成功地把一個直徑5厘米的銅制小圓筒隱藏起來，雖然這一隱形范圍只相當于一粒豌豆。

　　這一實驗讓文學描寫中不斷出現(xiàn)、而根據(jù)傳統(tǒng)光學定律根本不可能實現(xiàn)的“隱身衣”有了問世的可能，也宣告了超材料學的誕生。

　　那么問題來了——究竟什么是超材料?

　　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(jié)構(gòu)或復合材料。”

　　首先讓我們從中學物理課上老師都會演示的一個現(xiàn)象說起：當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)，當光入射其表面時，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢?

　　其實早在1968年時，前蘇聯(lián)理論物理學家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個疑問，并在理論上預測了上述“反常”現(xiàn)象。只是由于沒有實驗驗證，加之當時處于功能材料發(fā)展初期，人們對菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。

　　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、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。

　　如今，超材料研究正在發(fā)酵。美國《科學》雜志將其列入本世紀前10年的10項重要科學進展之一，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

　　這場變革已經(jīng)到來。發(fā)達國家的政府、學術(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，美國國防部專門啟動了關(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(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。

　　在各國科學家的實驗室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。

　　美國的科學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。

　　在德國，科學家已經(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探測范圍內(nèi)隱身。

　　法國科學家則發(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)，以達到減災的目的。

　　荷蘭的的科學家則制造出在力學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^感應地面軟硬度而自動調(diào)節(jié)的鞋子。

　　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、超材料雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線、無人機雷達、聲學隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國競爭的焦點。

　　合力攻關(guān)　注重應用 我國領(lǐng)跑有優(yōu)勢

　　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。

　　曾在美國留學并在《科學》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70%，可實現(xiàn)高達2微米的工藝精度。他們還設(shè)計了超材料生產(chǎn)標準化流程。

　　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)風景畫”的電路板，飛機、火車、輪船、汽車就能在移動網(wǎng)絡鞭長莫及的偏遠地方連接衛(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。

　　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。

　　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。

　　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)委員會審查和報批了國家標準《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)域的國家標準，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標準轉(zhuǎn)化起到重要作用。

　　有調(diào)研公司預測，超材料全球市場規(guī)模在2010—2020年間將以高達41%的年復合增長率發(fā)展。可以預計，隨著全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化、“智能+”應用領(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。

　　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。應當說，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。