超材料，超越材料！

作者：张勇，清华大学

超材料(Metamaterials)是 21 世纪学术圈出现的一个全新学术名称，用于描述按照特定的规则组合而成的具有亚波长微纳结构的人工复合材料，其电磁响应不仅取决于组成介质的固有属性，而且还由其微纳结构的形状、尺寸、排列、组合方式等决定。通过有序而合理地设计超材料关键位置的结构和尺寸，可以实现对电磁波的任意“裁减”和对某些自然规律的突破，从而获得天然材料所不具备的超常功能，如负折射、逆多普勒效应、超分辨率成像，进而实现定制化电磁功能的需求。

通过对超材料的研究，总结出其最重要的三个特征：

1、超材料是由人工亚波长微纳结构排列组成的复合材料，其谐振单元的尺寸远小于它的工作波长，使得整体上满足等效介质理论，在宏观上可以等效成均匀介质；

2、超材料具有某些自然材料不具备的超常电磁特性，如负介电常数、负磁导率、负折射率、负光压、逆切伦科夫辐射效应；

3、超材料的超常特性不仅决定于形成材料的物质的本征性质，还决定于其中的电磁谐振器的微纳结构、尺寸、排列组合方式等。

图1 超材料与自然材料对比

由于超材料的奇特电磁特性，使其在军事装备的电磁隐身、民用设备的电磁防护等众多领域内拥有广阔的应用前景。首先，超材料已被广泛用于制造滤波器、智能天线、功分器、移相器等微波器件，以提高遥感、导航、雷达等系统的性能。其次，超材料制备的突破衍射极限（波长的一半）的完美平板透镜，可被用于生物成像、生化探测、癌症治疗等安防医疗领域。此外，用于太阳能电池等能源领域的基于人工电磁超材料的陷光结构有望有效提高光电转化效率，可以大幅降低对原材料的依赖。

图2 超材料的一些新颖的电磁现象 （上面两张图为负折射现象；下面两张图为绕波现象）

早期狭义的超材料通常指左手材料，后来人们逐渐认识到单纯的左手材料已经无法满足某些应用需求,如折射率渐变透镜、透波隐身技术等。目前所讲的超材料概念所包含的内容非常广泛，可以看作是 21 世纪对新型人工介质一种表述。超材料不仅包括介电常数和磁导率同时为负的材料，也包括介电常数或磁导率单独为负或介于 0到1 之间的特殊材料，甚至包括声子晶体、光子晶体、高阻抗表面、超磁性材料等其他人工电磁结构。超材料不仅仅是一种材料形态，更代表着一种全新的材料设计理念，即逆向设计思维，需要什么样的响应，设计相应的微纳结构。因此，其在卫星通信、电磁传播及探测、生化检测、功能器件及材料及器件等领域有着广阔的应用前景。

图3 超材料的种类、应用领域及新颖电磁特性

美国国防部部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一；美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”之一；美国国防部先进研究项目局把超材料定义为“强力推进增长领域”。超材料技术使美国海、陆、空军装备被雷达发现和锁定的概率大幅下降，获得压倒性的不对称战略优势。美国F-35战斗机、B-2轰战机与DDG1000大型驱逐舰上均应用了超材料隐身技术。尼尔森市场研究公司发布的分析报告显示，2013年全球超材料技术市场价值为3.226亿美元，2020年预计将达到12.684亿美元，2014年到2020年间的年均复合增长率将达到21.6%。预计2025年各种类型的超材料将陆续实现商业化并在医疗、电子、通信、能源等行业得到广泛应用。

图4. 生活和媒体中的超材料

表1 国内外主要超材料研究机构及其主要研究内容

超材料的研究虽然仅有十余年的时间，但其在颠覆人们对麦克斯韦方程组和电磁学长久以来思维定势的同时极大地丰富了新颖材料的设计理念，其未来发展在立足现有的研究成果基础上寻求理论上的突破和结构上的重大创新。目前，超材料在电磁隐身、变换光学等方面已取得丰硕的研究成果，并朝着宽频、可调、低损、超薄、各向同性的方向健康快速发展，但自适应超材料、量子超材料等还处于萌芽阶段。总之，超材料未来的发展离不开工艺精度的提高、结构设计的优化、新材料的挖掘，其奇异电磁响应特性在新型功能电磁器件中有着巨大的应用潜力和想象空间。

来源：航空材料学报

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