国防科普加油站（5）数字超材料：赋予材料超级功能

生活中，那些具有超强本领和功夫的人，被人们称之为“超人”；具有超强计算与处理能力的计算机称为“超算”；超过音速被称“高超声速”。

在五花八门的材料世界里，也有一种物理性质“超常”的特殊材料，叫做“超材料”，它是本世纪才出现的一种具有特殊性质的人造材料。这种材料在自然界并不存在，是通过对某种材料的再加工，并在其表面或体内设计出的特殊几何结构或排列方式，使它拥有天然材料所不具备的特殊性质。所以，超材料的性质源自它的结构，而天然材料的性质由其成分来决定。

超材料具有神奇的特性，随着科技的进步，如今比它更神奇的“同胞兄弟”又诞生了，即在超材料基础上发展而来的“数字超材料”，或者叫数码编程设计的超材料。它是一种通过特定设计、打破传统规则结构、拥有奇异光学及声学等特性的超材料。有了它，“时光倒流”“动态隐身”“超级透镜”这些天方夜谭似的神话，将更快地走进现实，改变人们的生活。

“反常”设问，催生新奇材料

原本自然界中不存在的超材料，是如何“无中生有”孕育出来的呢？俗话说，不怕做不到，就怕想不到。在科技领域，科学家在发明创造中则遵循着“大胆假设，小心求证”的思路和原则，超材料的发现正是这样。

1968年，苏联理论物理学家菲斯拉格发现，光束由空气中斜射进入水中，入射光与折射光位居法线两侧。于是，他突发奇想：是否还有另一种介质，与上述现象相反，能让入射光与折射光位居法线同侧呢？

菲斯拉格的这个“反常”疑问，并非异想天开。从理论上讲，人们只需找到一种同时具有负介电常数和负磁导率材料，就能出现这一“反常”物理现象。只是当时没有开展实验验证，加之功能材料尚处于发展初期，菲斯拉格的这个大胆的科学猜想并未引起重视。

理论上的“负折射率”液体

幸运的是，随着人们对电磁理论的深入理解和微纳加工工艺的快速发展，一种在微纳尺度上拥有周期结构的人造器件诞生了。它不仅在实验上实现了负介电常数、负磁导率等一切理论预言，更是让人们深刻地理解到：通过在多种物理结构上的设计，人们可以突破自然规律的限制，获得超常功能的“新物质”，即具有奇异功能的超材料。

超材料是材料设计思想上的一个跨越式重大创新，被誉为本世纪前10年的10项重要科学进展之一，已成为发掘材料新功能、引领产业新方向、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。

创新永无止境。超材料方兴未艾之时，数字超材料又应运而生。2014年，我国东南大学研究团队提出了数字、电磁可编程的“数字”超材料概念。它与拥有周期排布结构的超材料不同，它由若干种单元按照编码的方式排布，就好比给平凡无奇的材料注入“基因”，可由人们进行调控，而这些新型材料将会忠实地听从“指示”，实现所需的各种奇异功能。

超级“另类”，自然与众不同

“数字超材料”的出现，实际上是现代信息工业与前沿物理领域相互结合的产物，它将“编码思维”融入进了新型超材料的设计过程中。在数字超材料中，不同的编码会带来不同的电磁响应，加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念，数字超材料这个材料领域的超级“另类”，其性质与功能也与众不同，且独树一帜：

结构新奇，颠覆认知。数字超材料结构十分“另类”，它既不同于天然材料依靠原子或分子结构实现功能，又不同于传统超材料拥有规则的人工单元结构，而是完全采用数字编码的方式，凭借微纳加工技术注入的“材料基因”，而拥有超常物理性质和“超能力”，其新奇异结构完全颠覆了人们对物质构成的认知。目前，科学家们已经研制出具备自我修复能力的仿生塑料，以及将热电转化为可用电力的热电材料等“黑科技”。

逆向设计，按需定制。数字超材料采用数字编码的方式设计，拥有十分广阔的设计自由度，可根据不同应用需求，实现“按需定制”。而基于“数字”的可编码特性，又能突破传统材料“正向求解”的设计方法，即根据各种约束条件，“从后向前”进行“逆向设计”，从而有效解决传统设计存在的限制和缺点。国防科技大学文理学院研究团队基于逆向设计和遗传算法等技术手段，设计出了一种聚焦型波长分束器，可应用于大容量光通信模块、片上量子通信等领域。

基于数字超材料的波长分束器

数字编码，实时可控。与传统的超材料相比，数字超材料的每个人工单元，可将其简化为“0”和“1”两种状态，通过调节“0”和“1”两种单元的排列和组合构造不同性质的组合单元，进而组装成整个材料，实现特定的功能。用“数字化”方式表征超材料物理特性极大简化了超材料的设计流程，提高了材料设计的灵活度，扩大了对材料性质的调控范围。若将可编程门阵列控制系统加载在结构单元上，还可以实现对数字超材料物理功能的实时控制。

推广应用，助推转型升级

超材料特别是数字超材料，是国际上重点关注的战略前沿技术，它对新一代信息技术、国防工业、新能源技术等领域带来了深刻变革，主要发达国家将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，纷纷开展研发与应用。我国也对此高度重视，列入国家863、自然科学基金和新材料重大专项予以支持，清华大学、浙江大学、国防科技大学、东南大学、中科院成都光电所等国内高校和科研院所在这方面已取得了一批原创成果。

随着高性能计算和微纳加工工艺的快速发展，数字超材料所展现的超常物理特性将带动航空航天、新型装备制造、人工智能等众多领域突破性发展，应用范围将拓展到国民经济和国防建设各个方面。在军事领域，数字超材料更是显示出广阔应用前景。如超材料天线可实现对电磁波调整接收和自动校准功能，拓展天线工作带宽、降低能耗，有效增强天线的聚焦性和方向性，从而提高移动通信容量和高速通信能力，提升军队信息化作战水平；利用数字电磁超材料对电磁波的实时调控能力，能实现等战机、舰艇等武器装备的全天候、多气候条件下的电磁隐身、热隐身、光隐身和声隐身，增强其生存、突防能力；运用数字超材料制作的传感器具有探测灵敏度高、战场适应性强、柔软性好等的优势，将其用于下一代智能探测装置，可以使武器装备拥有更加感应灵敏的“器官”和“皮肤”，优化并升级作战性能。

此外，数字超材料还在智能穿戴、侦查、高性能全光计算等领域展现出广阔的应用前景，为促进武器装备和部队训练的转型升级提供技术支撑。（作者：王握文、朱晰然、毛元昊 来源：国防科技大学）