超材料的研发和应用

　　超材料（Metamaterial），又称特异材料，是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，其定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。近些年来，超材料在国际上引起越来越大的关注，并正在尖端领域获得重要应用。 　　一、用于平面天线的超材料 　　2014年，英国BAE系统公司和伦敦大学合作，创造了一种制造平面天线透镜的新颖超材料，可使电磁波通过透镜聚焦，从而实现提高天线增益和增强方向性的目的。这一突破可能使飞机、舰艇、无线电和卫星天线的设计产生划时代的变革。这种平面透镜具备曲面透镜的电磁属性，同时保留同样的宽带性能。这种复合超材料透镜能够嵌入飞机的蒙皮中，是对目前的机载天线的一个重大飞跃。使用新型平面天线技术，可以用一个天线替换过去不同频率工作的多个天线。超材料天线具有质量低、灵敏度高和方向性好的优点，是雷达、战斗机、GPS导航系统的必备材料。 　　二、捕获微波能量的超材料 　　2013年，美国杜克大学设计了一种能量采集器，可调谐捕捉到的微波信号。能量采集器的关键在于应用了超材料，其人工设计结构可以捕捉各种形式的波能并调谐为可用能量，其能量转换效率接近于太阳能电池。此无线能量采集器件可将微波信号转换为直流电压，为手机电池或其他小型电子设备充电。能量采集器工作原理与将光能转换为电能的太阳能电池相似。这种通用能量采集器可以采集其他能源的信号，包括卫星信号、声波信号或Wi-Fi信号。超材料结构电路还可用于其他类型的能量采集，如振动能和声能。这种超材料能量采集器可以制作到手机上，在闲置时允许手机无线充电。 　　三、具备隐身功能的超材料 　　2014年，美国中佛罗里达大学科学家创造了被称为超材料的人造纳米结构，可以使光弯曲。在一个物体周围控制和弯曲光线从而使肉眼难以看到物体。天然材料不可能将光线弯曲，这种人造纳米结构超材料却可以实现此功能，在3维空间通过结构操纵、控制电磁响应实现对光的精确控制。利用此技术可以使战斗机隐身于探测系统，不被雷达发现。 　　最近几年，国际上还开发出各种各样的物理隐形衣。除了光学隐形衣使对象难以看到，还开发出其他类型隐形衣可以让热或声音不受影响地穿过；还报道开发出了一个全新的力学隐形衣，它使对象难以触摸到。这种隐形衣由聚合物超材料制成，是一种亚微米精度结构的晶体材料，由针形锥体组成。对此结构，手指或测量仪器无法感受到它的存在。 　　四、宽带太赫兹通信用超材料 　　2014年，美国能源部Ames实验室验证了采用超材料可产生宽频带太赫兹（THz）电磁波。THz电磁波位于电波（如微波和无线电波）和光波（如红外和紫外波）之间的中间频带。此发现将有助于开发无损成像和传感技术，使THz速率的信息通信、信息处理和存储成为可能。