詳解美國新型隱身衣材料:金屬製成易破碎(圖)

2020-12-08 中國網

圖上顯示的是一個圖表和由加州大學伯克利分校的研究人員開發的超材料的兩個掃描電子顯微鏡圖像——頂視圖和側視圖。這種材料是由內嵌在多孔氧化鋁內的平行納米線組成。當可見光通過這種材料時，光線發生眾所周知的負折射現象，運行方向向後偏轉。

左側是第一個能在光頻段獲得負折射率的3D「漁網」超材料圖解視圖。右側是一個裝配式結構的掃描電子顯微鏡圖像，這個裝配式結構是由加州大學伯克利分校的研究人員研發的。交替層形成的小電路能向後彎轉光線的方向。

據物理學家組織網報導，美國加州大學伯克利分校的科學家第一次設計出能逆轉可見光和近紅外光的傳播方向的3D材料，這項新發明將不僅能給人們帶來科幻享受，用這種材料製成隱身衣，讓物體在人眼前隱形，還將有助於高清晰光學圖像的成像基礎研究，並有助於製造用於高性能電腦的超小型集成電路。

彎曲物體周圍的光波

有關超材料(將材料與特殊能力結合，以改變電磁波的運行方向)發展的兩個重大突破，發表在8月13日出版的《自然》雜誌和8月15日出版《科學》雜誌上。

新研製的超材料具有改變光線的傳播方向能力，光線在這種材料中會出現「負折射」。這種材料能像圍繞一塊巖石流淌的河水那樣，完全彎曲物體周圍的光波，從而實現「隱形」的效果。

與之相比，在自然界發現的所有材料都具有一個正折射率(positive refractive index)，這是用來衡量電磁波從一種媒介進入另一種媒介時，光線被彎曲的程度的一種方法。在一張說明折射過程的著名插圖中，插入水裡的木棒被水淹沒的部分，看起來似乎向水面方向彎曲了。如果水顯示出負折射，木棒被水淹沒的部分將看起來似乎是從水面伸出來。這方面的另一個例子是，如果水存在負折射，在水下泳來遊去的魚看起來將像在水面以上的空中移動。

實際應用取得重大進步

此前，也有其他科研小組製成了具有光頻段功能的超材料，但是那些2D材料僅限於單層人造微粒的使用，它的光彎曲能力不太精確。據以前的報告顯示，具有負折射能力且更厚的3D超材料僅存在于波長更長的微波範圍內。

加州大學伯克利分校納米科學技術中心的張翔(音)領導這個科研組研發了兩種新超材料，他說：「我們一直在做的是，採用兩種截然不同的方法，努力製造出能在可見光頻段表現出負折射的超材料。這兩種方法都讓我們在發展超材料的實際應用方面向前邁進了一大步。」 納米科學技術中心由國家科學基金會(NSF)資助。張還是加州大學伯克利分校的勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部的一名科學家。

人類通過範圍非常狹窄的電磁輻射，即已知的可見光觀看世界。可見光的波長範圍從400納米(紫羅蘭和紫光)到700納米(深紅光)。紅外光波長更長，範圍從大約750納米到1毫米。人類的頭髮直徑大約是10萬納米。對一種獲得負折射能力的超材料來說，它的結構數組必須比人類利用的電磁波更小。人們在更長的微波範圍內熟練控制波長已經取得更多成功，但是這並不令人感到吃驚。這種波長的範圍從1毫米直到30釐米不等。

利用交替層堆疊製成超材料

在《自然》雜誌的論文中，加州大學伯克利分校的研究人員將銀和不傳導的氟化鎂交替層堆疊在一起，並在層層之間挖出納米大小的漁網圖樣，製成一塊光學超材料。科學家在波長最大不超過1500納米的波長範圍內，即已知得近紅外線範圍內，測量出負折射率。加州大學伯克利分校的研究生和將在《自然》雜誌上發表的論文的聯合作者詹森·瓦倫丁解釋說，每個操作或非操作層都將形成一個電流環路。將交替層堆壘在一起，產生了一系列環路，這些環路被用來抵禦將要靠近的光線產生的磁場。

瓦倫丁還說，兩種材料在光線經過時吸收或「喪失」的能量降至最小時，它們將獲得負折射能力。就《自然》雜誌中形容的「漁網」材料來說，相互作用強烈的超小型集成電路允許光通過這種材料，並在通過金屬層時損耗較少能量。瓦倫丁說：「自然材料不會對光磁場產生反應，但是我們製造的這種超材料卻能。這是第一個能稱作具有光學磁性的材料。因此材料內的光波中的電和磁場會向後運動。」

《科學》雜誌中描述的那種超材料，採用另一種達到向後彎曲光線方向的方法。這種超材料是由嵌在多孔氧化鋁內的銀納米導線組成。儘管這個結構比一張紙大約薄10倍，一個無法控制的噴嚏就能將它吹走，但是它被認為是一個超材料，因為它的大小超過光波長的10倍。發表在《科學》雜誌上的論文作者從波長不超過660納米的紅光觀察到負折射現象。這是第一個證明能逆轉可見光的方向的方法。

加州大學伯克利分校應用科學和技術畢業項目的學生姚傑，也是發表在《科學》雜誌上的論文作者，他說：「這種縱向納米線路的幾何結構經過特殊設計，只對光波中的電場作出反應。這些縱向納米線路之間的距離相等，彼此相互平行。磁場在振動時與光波中的電場呈直角。磁場不理會垂直納米線路非常必要，這個特點對降低能耗極其重要。」研究人員表示，這種納米線路材料的新方法是，它發現了一種在超材料不具備負折射率的情況下，能向後彎曲光線方向的方法，對電容率(傳播電場的能力)和磁導率(對磁場做出怎樣的反應)來說，兩者都是負的尤其重要。

擁有負折射率的好處

像發表在《自然》雜誌上的論文中描述的漁網超材料獲得負折射率那樣，擁有真正的負折射率的好處是，它能通過減少幹擾，極大地提高天線的性能。負指數材料還能逆轉都卜勒效應，以便在靠近時頻率能夠降低，而不是增加。都卜勒效應是利用警方雷達槍監控過往車輛的車速的現象。但是這些研究人員說，對納米光學圖像或隱身衣等超材料的大部分應用途徑來說，納米線路和漁網超材料都有可能扮演重要角色。

張翔表示：「這些材料凸顯出來的原因是，它們都能在較廣的光波長光譜範圍內產生作用，而且損失的能量較少。我們還通過拋棄以前以共振物理學為基礎的設計，展開了一種研發超材料的新方法。以前處於光頻範圍的超材料必須以特定震動頻率產生共振，以產生負折射，這個過程會吸收很多能量。而共振不是上述納米線路和漁網超材料的組成元素。」

新材料易破碎 實際應用還很遙遠

這些研究人員在熱烈歡迎這些處於可見光波長範圍內的超材料的形成方法的同時，他們還警告說，它們距離隱身衣和其他應用還很遙遠。例如，這種超材料不像著名小說《哈利·波特》中製造的隱身衣，這種超材料由金屬構成，非常容易破碎。他們表示，形成一種能大規模生產這種材料的方法，也是一個巨大挑戰。不過這些研究人員表示，大塊超材料在可見光波長範圍內獲得負折射，是探索這種隱形裝置的過程中的一個重要轉折點。(新浪科技 秋凌）

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