[科普中国]-超材料

超材料（英文：Metamaterial）, 拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。 对于超材料的初步研究是负折射率超材料。12

超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，到雷达反射罩甚至是地震预警。

超材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等。

定义“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。

超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。

典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”、“金属水”。

六类超材料**1、**自我修复材料——仿生塑料

伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。

**2、**热电材料

一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热电发电机，它可被直接插入普通发电机的排气管，从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料，名为黝铜矿，据称可达到5-10%的能效。科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿，一种含钴的矿物。

热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管。

**3、**钙钛矿

除晶体硅外，钙钛矿也可可用来制作太阳能电池的替代材料。在2009年，使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了2014年，这一数字已经提升到了19.3%。相比传统晶体硅电池超过20%的能效。科学家认为，这种材料的性能依然有提升的可能。

钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别，它们可以包含任意数量的元素，用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅，这些原材料要便宜得多，且能被喷涂在玻璃上，无需在清洁的房间当中精心组装。

**4、**气凝胶

气凝胶可由任意数量的物质所制成，包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。由于空气占了绝大部分比重，气凝胶还是一种绝佳的绝缘体。它的结构也赋予其超高的强韧性。

NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶，作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料。

5、Stanene——导电率100%的材料

和石墨烯一样，Stanene也是一种由单原子层所制作的材料。但由于使用了锡原子而非碳原子，这使其具备了石墨烯所无法实现的特性：100%的导电率。

Stanene在2013年由斯坦福大学张首晟教授首次进行了理论化。预测Stanene这类材料的电子属性是张教授的实验室所擅长的领域之一，根据他们的模型，Stanene是一种拓扑绝缘体，也就是说，它的边缘是导体，而内部是绝缘体。这样一来，Stanene就能在室温下以零阻力导电。

6、光操纵材料

光操纵超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射，它或许真的可以让物体隐形。根据制作方式和材料的不同，超材料还能散射微波、无线电波、和不太为人所知的T射线。实际上，任何一种电磁频谱都能被超材料所控制。

历史沿革1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)便提出了这个疑问，并在理论上预测了上述“反常”现象。只是由于没有实验验证，加之当时处于功能材料发展初期，人们对菲斯拉格的发现并未予以足够重视。

美国《科学》杂志将其列入本世纪前10年的10项重要科学进展之一，引发了诸如新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微细加工技术等领域的重大变革。

发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视，制定了相关计划，投入了大量人力和物力。

美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划，美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。美国国防部更是将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。

欧盟组织了50多位相关领域顶尖的科学家聚焦这一领域的研究，并给予高额经费支持。

日本在经济低迷之际出台了一项研究计划，支持至少两个关于超材料技术的研究项目，每个项目约为30亿日元。

研究现状国外发展在各国科学家的实验室中，很多新奇的发明已经出现。

美国的科学家制造出一种反弹陶瓷管，相比传统脆而硬的陶瓷，这种反弹陶瓷管在被压缩50%后还能复原。这种陶瓷将在“普通物质无能为力的地方大显身手”，如航天飞机或者喷气式发动机的隔热设备。

2006年，北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。

在德国，科学家已经使用一种叫作“径直激光平版刻录”技术制成由微型塑料棒构成的隐形材料片。将上述隐形材料片覆盖在物体上，在红外照相仪观测下，隐形材料改变了覆盖物周围光线的速度，从而使覆盖物和被覆盖物一同消失。而包括美国国防高级研究计划署在内的军方机构，寻求的正是这种隐藏技术，以便让飞机在军事雷达探测范围内隐身。

法国科学家则发现了通过超材料墙壁和地面精确打孔来转移地震波，让地震和海啸偏离建筑物或城镇，以达到减灾的目的。

荷兰的的科学家则制造出在力学上可编程的智能橡胶。通过小型开关的控制和特殊的设计，这种智能橡胶可以像一块超大海绵一样变硬或者变软，甚至在挤压下可以在这两个阶段进行快速转变。借助这种材料，人们不久或将可以穿上能通过感应地面软硬度而自动调节的鞋子。

中国发展相比于不少国家相对分散的发展模式，中国在超材料领域的发展模式则更加聚焦和有力。我国已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面，我国企业取得了多项原创性成果，并在世界超材料产业化竞争中占到先机。

曾在美国留学并在《科学》杂志发表关于新型超材料宽频带隐身衣论文的刘若鹏无疑是其中代表。2010年，以刘若鹏博士为首的5位留学生团队回国创办了深圳光启。经过几年发展，该公司已在世界范围内申请超过2800件专利，约占相关领域专利申请总量的86%，该公司还在创建基于超材料的智慧社区、无线互联、航空航天等领域的产业化方面走在世界前列，如其全球首条超材料微结构精试线，设备定制化程度高达70%，可实现高达2微米的工艺精度。他们还设计了超材料生产标准化流程。

以其设计的电磁超材料天线为例，运用一块可折叠为笔记本大小、印着“江南水乡风景画”的电路板，飞机、火车、轮船、汽车就能在移动网络鞭长莫及的偏远地方连接卫星宽带上网。不管卫星在天空中的哪个地方，该天线都能追踪到，不必像传统的碟形天线一样总朝一个方向盯着一颗卫星。

美国类似产品的商业销售计划今年才开始，而光启早在3年前便在我国22个省份进行了安装试用。而这，仅仅是中美之间近年来在超材料核心领域展开的激烈竞争之一。

此外，为了打破欧美对超材料技术标准的垄断，上月，全国电磁超材料技术及制品标准化技术委员会审查和报批了国家标准《电磁超材料术语》。这意味着，我国在全球率先制定出超材料领域的国家标准，将对我国在超材料技术的研究和标准转化起到重要作用。

发展前景有调研公司预测，超材料全球市场规模在2010-2020年间将以高达41%的年复合增长率发展。可以预计，随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大，一个可带动诸如高速列车、新型地面行进装备、航空航天、国防科技、地面智能机器人等领域的千亿规模的超材料产业集群正在崛起。

利用驾驭电磁波的超材料技术来建造未来世界，正在成为全球科技创新的又一焦点。

基本原理根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，前提是设计并制作出足够小的“设备”。近年来，科学家沿着菲斯拉格的理论，依靠一些间隔仅有1毫米的几千分之一的人工结构，将材料的单元结构(人工原子和人工分子)集合，通过不同的结合结构和排列设计制造出各种超材料，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。

超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。

主要特征metamaterial重要的三个重要特征：

（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterial性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

应用研究目前，基于这些实验成果展开的产品转化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通信天线、无人机雷达、声学隐身技术等产品研发和利用，已经成为各国竞争的焦点。

专家观点“超材料”这一概念已经慢慢渗入多个领域。这一技术最初在电磁学领域引发轰动，接着长驱直入，进入包括热力学在内的多个领域，最近又开始在力学领域掀起狂澜。（德国卡尔斯鲁厄理工学院马丁·魏格纳教授）

超材料对航空航天、国防、民用科学技术的促进表明，新材料将会成为科学研究中一个很重要的切入点和方向，将会对众多领域带来冲击和影响，并产生新的产业，这个意义极为深远。（中国工程院院士段宝岩）

超材料的设计思想和方法很有可能成为发掘材料新功能、引领产业新方向，提高材料综合性能、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。应进一步明确在国家层面大力发展超材料技术的必要性，凝练发展重点，选择合理技术路线，制定符合超材料技术发展趋势、与我国国情相适应的超材料技术发展战略。（中国钢研科技集团有限公司副总工程师周少雄）

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学