科學家創造出超材料設計方法,哈利·波特的隱身衣或將成為現實

2020-11-22 鎂客網

研究團隊提出的設計辦法將會推動超材料的應用和產出。

基於量子力學原理，加州理工學院（CIT）和瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的工程師們聯合研究出一種設計超材料的系統性辦法，為超材料的應用開發搭建了一個基本的框架。

新材料的一種：超材料

超材料是什麼？

《哈利·波特》中的這款隱身衣採用的就是一種負折射率超材料。

雖然看起來很炫酷，但事實上這種材料的成分沒有什麼特別之處，其奇特性質主要源於材料本身精密的幾何結構以及尺寸大小。

超材料是一種新型、具有特殊性質的人工材料，一般的材料都是由原子組成，而超材料的最小組成單元是可以自由設計的。它擁有一些特別的性質，如讓光、電磁波改變它們通常的性質。

目前，對於超材料的研發主要還處於理論研究和負折射率超材料的研製上。

左邊折射率為正 右邊折射率為負

在2001年，Science雜誌上刊載了美國Smith教授及其團隊的研究成果，他們成功製備了在微波波段具有負折射率的材料；後來在2006年，依據負折射率特性，J. B. Pentry教授在微波波段提出了隱身鬥篷的概念，即材料可以完全吸收光線；近日，哈佛大學研究團隊也研發出了一種將所有可見光聚集到一個點的濾鏡，為VR/AR硬體上的創新帶來可能。

不被認可的超材料，痛點在缺乏實際成果

對於超材料，大多數人認為現在只是在炒作這一概念，並沒有實際意義。這主要是因為現有的實際成果十分之少，且都尚處於實驗室階段。

CIT和ETH的研究團隊看見了這樣的痛點，Chiara Daraio教授就表示，包括自己的材料研究在內，目前所有的實驗嘗試都是隨機的，並沒有一個系統的方法來指導和支撐大家進行開發和研究，所有研究進度受到了阻礙。

為了解決這個問題，Daraio教授領導的研究團隊將研究方向轉到了量子力學領域。對此，Daraio解釋道：「每個粒子都是微小的物質，並且與相鄰的物質保持一種聯繫，當入射波進入時，粒子，或者與相鄰粒子的共同作用會對其作出反應。我們就恰好通過研究粒子的特性，然後將這一設計應用到宏觀材料的設計上。」

理論到實際，只需一臺計算機

作為這一系統性辦法的證明，Daraio教授的團隊據此通過計算機模擬出了10×10釐米的矽晶片，其該矽晶片由100個通過相互連接的小板組成。當晶片被超聲波刺激時，只有角部的板振動，其他板塊仍然保持靜止。

此外，Daraio團隊還基於該方法對此前研究的一系列矩形毫米板製成的超材料進行設計上的調整，結果他們很快就創造了一個完美的聲學透鏡，這款透鏡可以聚焦聲音而不會丟失信號。

結語

這一方法的提出對於超材料的實際應用有極大的推動作用，對於未來的應用，Daraio教授表示，這項工作也可用於設計光學超材料、天線和光學信號處理設備。

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