超材料的未來發展方向是什麼?

文/江洪 王微 許露

中國科學院武漢文獻情報中心

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中國科學院大學

超材料（Metamaterial）與過去一直研究和應用的銅、鐵、半導體等原子、分子以及納米級別的材料不同，是一種全新材料，它提供了一種可以讓人們隨心所欲製造具有許多特殊物理性質的全新思路與方法。可以說，超材料是繼高分子材料、納米材料之後材料領域又一重大突破，將對世界科技發展產生重要影響。

超材料的基本設計思路是以某種具有特殊功能的人工結構為基礎，設計材料關鍵物理尺度的結構，以得到不受自然規律限制的天然材料不具有的超常功能。超材料類似於自然界中存在的晶體結構物質，通過原子的有序排列和有序調節，使得晶體材料顯示出一些無定型態所不具備的物理特徵。而超材料可以理解為人們通過各種層次的有序結構實現對各種物理量的調製，從而獲得自然界中在該層次上無序或無結構的材料所不具備的物理性質。

超材料一詞在1999年被 Rodger 首次提出，其範圍主要包括左手材料、光子晶體、電磁晶體、超磁性材料、頻率選擇表面、人工磁導體、基於傳輸線結構的超材料、等離子結構的超材料等。

負折射率材料。負折射率材料的基本原理來自於電磁學理論，用來表示某一種物質的電磁性質的是介電常數和磁導率這2個基本物理量。如果這2個常數都是負數就被認為「不具有任何物理意義」。前蘇聯科學家韋謝拉戈（Veselago）在20世紀提出了介電常數與磁導率可能同時為負的理論，並構想了一種具有負折射率的材料（圖1），由於它違反了光學定律，人們普遍認為它只是科學家臆想出來的理論，並不可能實際存在。

然而，2003年英國帝國理工學院的彭德利(Pendry)通過理論計算得出了2個重要推論：①間距在毫米級金屬細線的格子中具有類似等離子體的物理行為，共振頻率在GHz與低於此頻率時介電常數出現負值；②利用非磁性導電金屬薄片構成開環共振器組成的方陣（見圖2），可實現負的有效磁導率，而且負的磁導率是可調的。這個理論為人工實現超材料帶來了可能，實現這種理論的材料在自然界的物質中是無法達到的，但通過人為設計最終有可能達到。

零折射率超材料。2006年，Pendry又設計了零折射率超材料，可以用於製備「隱形鬥篷」（如圖3）。因為光在負折射率材料中的折射與常規材料中的折射是相反的，因此，光從正折射率的材料入射到負折射率材料的界面上時，其入射光線和折射光線處於界面法線方向同一側，從而可以帶來光的異常傳播和光的扭曲現象，基於這一原理設計了具有隱身特性的材料。而美國哥倫比亞大學機械工程系副教授王琪薇等將正折射率和負折射率結合在一起，實現了對光子相位的精確控制，還研製出一種能操縱光的折射率並且完全控制光在空氣中的傳播的光納米結構，並證明光能從某一點傳到另一點而毫無相變地穿過人造傳播媒介，好像該媒介並不存在一樣。

在一段時間內，研究人員在左手材料、電磁黑洞、隱身鬥篷、透射增強材料等超材料中看到許多不一樣的電磁特性。超材料領域研究中處於領軍地位的國家和地區主要是美國和歐洲。2000年底，美國國防部「國防高級研究計劃署」聯合美國一些大學和研究機構，開展了關於超材料的研究計劃，為超材料技術的廣泛應用奠定了基礎。歐盟也聯合歐洲24所大學共同開展了聯合協調項目METAMORPHOSE（MetaMaterials Organized for radio，millimeterwave，and Photonic Superlattice Engineering）。

我國主要通過國家自然科學基金、國家「973」計劃、國家預研技術等項目對超材料的基礎研究工作予以資金支持，並且產生了一批具有影響力的研究成果。如清華大學、中國科學院物理研究所、東南大學、浙江大學、復旦大學、南京大學等研究機構都在相關的基礎研究領域形成積累，並形成了在國際上有一定影響的研究隊伍。

在超材料技術產業化方面，國外在積極進行超材料產業化研究的公司包括波音航天航空公司（美國）、豐田汽車公司（日本）、LG電子公司（韓國）、雷神飛彈公司（美國）等；國內的深圳光啟高等理工研究院（簡稱「深圳光啟研究院」）在超材料產業化方面取得了一定成果，在推進超材料產業化方面走在世界前列，該研究院的超材料平板式衛星天線已經在個別地區得到了應用。

超常的物理特性使得超材料的應用前景十分廣泛，其應用範圍覆蓋了工業、軍事、生活等各個方面。特別是電磁超材料，對未來的通信、光電子/微電子、先進位造產業以及隱身、探測、核磁、強磁場、太陽能及微波能利用等技術產生了深遠的影響。

不同性質的超材料可以應用於不同的領域，比如，用於微波器件設計和製作的超材料，可以製作成寬帶相移器、功率分配器、平板聚焦透鏡、帶通濾波器、高指向天線、耦合器等元器件，並廣泛應用於電磁波防護、電磁隱身等領域。

用於製作光學透鏡的超材料，可以製作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡，其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用於微量汙染物質探測、醫學診斷成像、單分子探測等領域，高定向性透鏡主要應用於透鏡天線、新型龍伯透鏡、小型化相控陣天線、超解析度成像系統等領域，高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用於集成電路的光學引導原件等領域；電磁超材料可以用於隱身衣、電磁黑洞、慢波結構等元器件的製作。其中，隱身衣主要應用於軍事領域；電磁黑洞主要應用於太陽能電池，紅外熱成像，飛機、飛彈、艦艇、衛星等領域；慢波結構主要應用於太陽能發電、高分辨紅外熱成像技術、光緩存、深亞波長光波導等領域。

通過分析全球重點研究機構超材料研究的最新動態，可以及時了解超材料研究的發展方向及新興市場。因而，通過本文對全球重點研究機構的部分超材料研究進行的解讀，可以看出，超材料製造、雷射器和光子晶體諧振器是研究機構和企業比較關注的應用研究領域。此外，佳能株式會社還關注將超材料用於微結構製造和發光器件的研究；日本電報電話公司還關注將其用於天線裝置和光諧振器的研究；深圳光啟研究院還關注將其用於封裝夾具、集熱器等方面的研究；三星電子還關注將其用於射頻識別系統、光纖等的研究；中國科學院還關注將其用於可集成量子行走器件等的研究；京都大學還關注將其用於光電轉換元件和太陽能電池等的研究；麻省理工學院還致力於將超材料用於陀螺儀和光纖波導等領域的研究。近2年，韓國、德國、法國和俄羅斯的超材料領域研究也快速發展，世界超材料領域研究競爭更加激烈。

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規模的產業化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，並可能出現因技術的進一步突破取得更多成果的領域。筆者認為，超材料的研發要注重以下一些方向：

①對超材料的工作頻段和方向控制的研究。從工作頻段來說，超材料的頻段還只能達到紅外層次，同時大多數負折射率材料僅能在某些角度上實現負折射現象。對於實現更好隱身功能需要來說，其工作波段最少應覆蓋整個可見光波段，同時也需要實現具有各向同性的特性，即從更寬的光波波段和不同方向上實現對光的控制。這將是未來超材料發展的重要課題。

②超材料的產業化發展。超材料技術目前還處於實驗室到產品中試階段，如果要進行更大規模的產業化，還需要研究大規模製造大體積超材料的方法。目前實驗室僅掌握在平面上的超材料的製造工藝，具有三維空間的立體超材料還未實現。同時表面工藝也僅僅局限在很小的面積上，這距大規模地使用還有很長的距離。如何實現大規模地製造超材料是實現超材料廣泛使用的重要前提。

③新型超材料及其功能的設計、性能優化及相關模擬仿真方法。

④不同超材料之間相互作用的研究。這一方向的研究主要包括對超材料進場波與超材料自由空間電磁波的耦合研究，以及對超材料內部的傳播性質的研究。而對其規律性的研究又不斷提出新的理論、技術、方法的需求，從而推動與此相關的新理論概念、分析方法和實驗測量技術的發展。

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