周济院士：相信这套丛书对于推动我国超材料的发展会发挥应有的作用

“超材料前沿交叉科学丛书”由中国材料研究学会超材料分会组织撰写，由周济院士和崔铁军院士担任丛书主编。丛书第一批图书（7分册）获得国家出版基金资助，近日全部出版并顺利完成结项。

1. 人工表面等离激元色散调控及应用，王甲富 等

2. 超构器件理论和应用，蔡定平

3. 弹性超材料设计与波动控制，胡更开 刘晓宁

4. 多功能和可重构超表面及其应用，冯一军 陈克

5. 信息超材料，崔铁军

6. 负介材料，范润华

7. 异向介质电磁理论及应用，陈红胜 等

本丛书各分册主创人员是我国超材料领域第一梯队的知名学者和专家。近年来他们做出了国际一流的研究成果，因此这套丛书代表了国内本领域领先水平。本丛书的出版对培养我国超材料领域创新人才、推动超材料学科发展具有重要的意义。

酝酿于世纪之交的第四次科技革命催生了一系列新思想、新概念、新理论和新技术，正在成为改变人类文明的新动能。其中一个重要的成果便是超材料。进入21 世纪以来，“超材料”作为一种新的概念进入了人们的视野，引起了广泛关注，并成为跨越物理学、材料科学和信息学等学科的活跃的研究前沿，并为信息技术、高端装备技术、能源技术、空天与军事技术、生物医学工程、土建工程等诸多工程技术领域提供了颠覆性技术。

超材料(metamaterials) 一词是由美国得克萨斯大学奥斯汀分校Rodger M. Walser 教授于1999年提出的，最初用来描述自然界不存在的、人工制造的复合材料。其概念和内涵在此后若干年中经历了一系列演化和迭代，形成了目前被广泛接受的定义：通过设计获得的、具有自然材料不具备的超常物理性能的人工材料，其超常性质主要来源于人工结构而非构成其结构的材料组分。可以说，超材料的出现是人类从“必然王国”走向“自由王国”的一次实践。

60多年前，美国著名物理学家费曼说过：“假如在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存给新世代的生物，哪句话可以用最少的字包含最多的讯息呢？我相信那会是原子假说。”所谓的原子假说，是来自古希腊思想家德谟克利特的一个哲学判断，认为世间万物的性质都决定于构成其结构的基本单元，这一单元就是“原子”。原子假说之所以重要，是因为它影响了整个西方的世界观、自然观和方法论，进而导致了16—17 世纪的科学革命，从而加速了人类文明的演进。19 世纪英国科学家道尔顿借助科学革命的成果，尝试寻找德谟克利特假说中的“原子”，结果发现了今天我们大家熟知的原子。然而，站在今天人类的认知视野上，德谟克利特的“原子”并不等同于道尔顿的原子，而后者可能仅仅是前者的一个个例，因为原子既不是构成物质的最基本单元，也不一定是决定物质性质的单元。对于不同的性质，决定它的结构单元也是千差万别的，可能是比原子更大尺度的自然结构(如分子、化学键、团簇、晶粒等)，也可能是在原子内更微观层次的结构或状态(如电子、电子轨道、电子自旋、中子等)。从这样的分析中就可以引出一个问题：我们能否人工构造某种特殊“原子”，使其构成的材料具有自然物质所不具备的性质呢？答案是肯定的。用人工原子构造的物质就是超材料。

超材料的实现不再依赖于自然结构的材料功能单元，而是依赖于已有的物理学原理、通过人工结构重构材料基本功能单元，为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间——昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，获得与自然材料具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。常规材料的性质主要决定于构成材料的基本单元及其结构——原子、分子、电子、价键、晶格等。这些单元和结构之间相互关联、相互影响。因此，在材料的设计中需要考虑多种复杂的因素，这些因素的相互影响也往往是决定材料性能极限的原因。而将“超材料”作为结构单元，则可望简化影响材料的因素，进而打破制约自然材料功能的极限，发展出自然材料所无法获得的新型功能材料，人类或因此成为“造物主”。

进一步讲，超材料的实现也标志着人类进入了重构物质的时代。材料是人类文明的基础和基石，人类文明进程中最基本、最重要的活动是人与物质的互动。我个人的观点是：这个活动可包括三个方面的内容。(1) 对物质的“建构”：人类与自然互动的基本活动就是将自然物质变成有用物质，进而产生了材料技术，发展出了种类繁多、功能各异的材料和制品。这一过程可以称之为人类对物质的建构过程，迄今已经历了数十万年。(2) 对物质的“解构”：对物质性质本源和规律的探索，并用来指导对物质的建构，这一过程产生了材料科学。相对于材料技术，材料科学相当年轻，还不足百年。(3) 对物质的“重构”：基于已有的物理学及材料科学原理和材料加工技术，重新构造物质的功能单元，进而发展出超越自然功能的“新物质”，这一进程取得的一个重要成果是产生了为数众多的超材料。而这一进程才刚刚开始，未来可期。

20 多年来，超材料研究风起云涌、异彩纷呈。其性能从最早对电磁波的调控，到对声波、机械波的调控，再从对波的调控发展到对流(热流、物质流等) 的调控，再到对场(力场、电场、磁场) 的调控；其应用从完美透镜到减震降噪，从特性到暗物质探测。因此，超材料被Science 评为“21世纪前10年中的10大科学进展”之一，被Materials Today 评为“材料科学50年中的10项重大突破”之一，被美国国防部列为“六大颠覆性基础研究领域”之首，也被中国工程院列为“7项战略制高点技术”之一。

我国超材料的研究后来居上，发展非常迅速。21世纪初，国内从事超材料研究的团队屈指可数，但研究颇具特色和开拓性，在国际学术界产生了一定的影响。从2010年前后开始，随着国家对这一新的研究方向的重视，研究力量逐渐集聚，形成了具有一定规模的学术共同体，其重要标志是中国材料研究学会超材料分会的成立。近年来，国内超材料研究迅速崛起，越来越多的优秀科技工作者从不同的学科进入了这个跨学科领域，研究队伍的规模已居国际前列，产生了很多为学术界瞩目的新成果。科学出版社组织出版的这套“超材料前沿交叉科学丛书”既是对我国科学工作者对超材料研究主要成果的总结，也为有志于从事超材料研究和应用的年轻科技工作者提供了研究指南。相信这套丛书对于推动我国超材料的发展会发挥应有的作用。

感谢丛书作者们的辛勤工作，感谢科学出版社编辑同志的无私奉献，同时感谢编委会的各位同仁！

周 济

2023年11月27日

本文为“超材料前沿交叉科学丛书”“丛书序”，标题为编者所加。

（点击书名可以购买该书）

1.人工表面等离激元色散调控及应用，王甲富 等

2. 超构器件理论和应用，蔡定平

3. 弹性超材料设计与波动控制，胡更开 刘晓宁

4. 多功能和可重构超表面及其应用，冯一军 陈克

5. 信息超材料，崔铁军

6. 负介材料，范润华

7. 异向介质电磁理论及应用，陈红胜 等

（本文编辑：刘四旦）

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