中國將領跑超材料暗戰:助力國產隱形戰機研發

2015年5月4日訊，也許風靡一時的動畫片《超能陸戰隊》中主人公發明的微型機器人及其聚集體曾讓您大呼神奇，也許您曾對小說《哈利·波特》中那件隱身鬥篷印象深刻，也許您也對自然界的偽裝大師烏賊和變色龍能夠瞬間變色的皮膚而匪夷所思……

 

製造隱形戰機是超材料重要應用領域之一

 

圖為應用超穎射頻技術（Meta-RF）的新型衛星通信產品。該產品是深圳一家公司基於超材料與Meta-RF電磁調製創新技術開發的一系列衛通專利產品及解決方案。這一系列產品的最大特點是對衛星通信電波的靈活調製，實現產品便攜化、共形化等，進而滿足個性化需求。這項技術獲得首屆中國電子信息博覽會創新金獎。

 

事實上，藉助一種被稱為「超材料」的東西，全球的材料學家和物理科學家們正在將上述聽起來十分「科幻」的東西變為現實：「隱形」飛機、筆記本大小的衛星天線、能感應地形的智能鞋子、能復原的彈性陶瓷、可減輕地震或海嘯影響的防護牆壁等等。

這種超材料的新奇之處在於，通過複雜的人工手段對物質原子、分子施加影響來改變材料的力學性質，讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲。這種超材料被科學家譽為「由材料組成的『材料』」。

上月，《電磁超材料術語》向國家標準管理委員會報批，標誌著我國在超材料領域即將擁有國家標準。目前，全球「工業4.0」進程持續深化、「智能+」應用領域不斷擴大，對於處在超材料應用領先地位的中國企業來說，步子更快一些，膽子再大一點，力爭在未來一些戰略新興產業及人工智慧革命領域引領世界潮流。因為有一點毋庸置疑：未來的世界，將由超材料來建造。

　　「彎曲光、改變波」

　　超材料性能神奇

材料，人類社會各大產業發展的根基。隨著工業化進程不斷深入，傳統高性能材料對稀缺資源的依賴程度越來越高，而科學家們在自然界尋找具有超物理特性的天然材料的嘗試卻收效甚微。在這種情況下，科學家意識到，要想獲得那些超越常規材料性能極限的新型功能性材料，必須另起爐灶。

2000年，美國加州大學聖地牙哥分校的物理學家戴維·史密斯和他的同事做的一個新奇實驗，讓全球的材料科學家們對物質世界的看法發生了一些改變。試驗中，一種運用微波技術的材料成功地把一個直徑5釐米的銅製小圓筒隱藏起來，雖然這一隱形範圍只相當於一粒豌豆。

這一實驗讓文學描寫中不斷出現、而根據傳統光學定律根本不可能實現的「隱身衣」有了問世的可能，也宣告了超材料學的誕生。

那麼問題來了——究竟什麼是超材料？

超材料，英文稱為Metamaterial，其中拉丁語詞根「meta-」表示「超出、另類」等含義。一般文獻中給出的超材料定義是「具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。」

首先讓我們從中學物理課上老師都會演示的一個現象說起：當一束光從空氣斜射入水中，會產生入射光和折射光，它們居於法線的兩側。因為這種反射現象，我們能夠看到大自然中的許多物體。那麼，是否存在這樣一種介質，當光入射其表面時，入射光與折射光位居法線同側呢？

其實早在1968年時，前蘇聯理論物理學家菲斯拉格（Veselago）便提出了這個疑問，並在理論上預測了上述「反常」現象。只是由於沒有實驗驗證，加之當時處於功能材料發展初期，人們對菲斯拉格的發現並未予以足夠重視。

根據廣義相對論，時間和空間都是可以「彎曲」的，而空間裡的光線同樣可以彎曲，前提是設計並製作出足夠小的「設備」。近年來，科學家沿著菲斯拉格的理論，依靠一些間隔僅有1毫米的幾千分之一的人工結構，將材料的單元結構（人工原子和人工分子）集合，通過不同的結合結構和排列設計製造出各種超材料，實現了讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。

如今，超材料研究正在發酵。美國《科學》雜誌將其列入本世紀前10年的10項重要科學進展之一，引發了諸如新一代信息技術、國防工業、新能源技術、微細加工技術等領域的重大變革。

　　群雄競逐　你追我趕

　　國際競爭日益激烈

這場變革已經到來。發達國家的政府、學術界、產業界對超材料技術的研發給予高度重視，制定了相關計劃，投入了大量人力和物力。

例如，美國國防部專門啟動了關於超材料的研究計劃，美國最大的6家半導體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯合基金資助這方面的研究。美國國防部更是將其列為「六大顛覆性基礎研究領域」之一。歐盟組織了50多位相關領域頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，並給予高額經費支持。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個關於超材料技術的研究項目，每個項目約為30億日元。

在各國科學家的實驗室中，很多新奇的發明已經出現。

美國的科學家製造出一種反彈陶瓷管，相比傳統脆而硬的陶瓷，這種反彈陶瓷管在被壓縮50%後還能復原。這種陶瓷將在「普通物質無能為力的地方大顯身手」，如太空梭或者噴氣式發動機的隔熱設備。

在德國，科學家已經使用一種叫作「徑直雷射平版刻錄」技術製成由微型塑料棒構成的隱形材料片。將上述隱形材料片覆蓋在物體上，在紅外照相儀觀測下，隱形材料改變了覆蓋物周圍光線的速度，從而使覆蓋物和被覆蓋物一同消失。而包括美國國防高級研究計劃署在內的軍方機構，尋求的正是這種隱藏技術，以便讓飛機在軍事雷達探測範圍內隱身。

法國科學家則發現了通過超材料牆壁和地面精確打孔來轉移地震波，讓地震和海嘯偏離建築物或城鎮，以達到減災的目的。

荷蘭的的科學家則製造出在力學上可編程的智能橡膠。通過小型開關的控制和特殊的設計，這種智能橡膠可以像一塊超大海綿一樣變硬或者變軟，甚至在擠壓下可以在這兩個階段進行快速轉變。藉助這種材料，人們不久或將可以穿上能通過感應地面軟硬度而自動調節的鞋子。

目前，基於這些實驗成果展開的產品轉化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線、無人機雷達、聲學隱身技術等產品研發和利用，已經成為各國競爭的焦點。

　　合力攻關　注重應用

　　我國領跑有優勢

相比於不少國家相對分散的發展模式，我國在超材料領域的發展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術介質基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，我國企業取得了多項原創性成果，並在世界超材料產業化競爭中佔到先機。

曾在美國留學並在《科學》雜誌發表關於新型超材料寬頻帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中代表。2010年，以劉若鵬博士為首的5位留學生團隊回國創辦了深圳光啟。經過幾年發展，該公司已在世界範圍內申請超過2800件專利，約佔相關領域專利申請總量的86%，該公司還在創建基於超材料的智慧社區、無線互聯、航空航天等領域的產業化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結構精試線，設備定製化程度高達70%，可實現高達2微米的工藝精度。他們還設計了超材料生產標準化流程。

以其設計的電磁超材料天線為例，運用一塊可摺疊為筆記本大小、印著「江南水鄉風景畫」的電路板，飛機、火車、輪船、汽車就能在行動網路鞭長莫及的偏遠地方連接衛星寬帶上網。不管衛星在天空中的哪個地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統的碟形天線一樣總朝一個方向盯著一顆衛星。

美國類似產品的商業銷售計劃今年才開始，而光啟早在3年前便在我國22個省份進行了安裝試用。而這，僅僅是中美之間近年來在超材料核心領域展開的激烈競爭之一。

另一方面，我國在超材料的微結構加工方面也取得了長足進步。去年，中南大學教授黃小忠的團隊利用3D印表機，通過對材料進行編碼，獲得了一塊邊長18釐米、包括10萬個物理單元的具有隱身性能的超材料，這樣可以實現我國未來太空隱形飛行器的零部件的快速列印和更換。

此外，為了打破歐美對超材料技術標準的壟斷，上月，全國電磁超材料技術及製品標準化技術委員會審查和報批了國家標準《電磁超材料術語》。這意味著，我國在全球率先制定出超材料領域的國家標準，將對我國在超材料技術的研究和標準轉化起到重要作用。

有調研公司預測，超材料全球市場規模在2010—2020年間將以高達41%的年複合增長率發展。可以預計，隨著全球「工業4.0」進程持續深化、「智能+」應用領域不斷擴大，一個可帶動諸如高速列車、新型地面行進裝備、航空航天、國防科技、地面智慧機器人等領域的千億規模的超材料產業集群正在崛起。

利用駕馭電磁波的超材料技術來建造未來世界，正在成為全球科技創新的又一焦點。應當說，我們在這方面擁有明顯優勢，完全有條件成為這場創新革命的領跑者。

專家視點——

「超材料」這一概念已經慢慢滲入多個領域。這一技術最初在電磁學領域引發轟動，接著長驅直入，進入包括熱力學在內的多個領域，最近又開始在力學領域掀起狂瀾。

——德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授

超材料對航空航天、國防、民用科學技術的促進表明，新材料將會成為科學研究中一個很重要的切入點和方向，將會對眾多領域帶來衝擊和影響，並產生新的產業，這個意義極為深遠。

——中國工程院院士段寶巖

超材料的設計思想和方法很有可能成為發掘材料新功能、引領產業新方向，提高材料綜合性能、突破稀缺資源瓶頸的有力手段。應進一步明確在國家層面大力發展超材料技術的必要性，凝練發展重點，選擇合理技術路線，制定符合超材料技術發展趨勢、與我國國情相適應的超材料技術發展戰略。

——中國鋼研科技集團有限公司副總工程師周少雄

 

來源：人民日報海外版