超材料-從工程化材料到工程材料

作為材料科學(xué)領(lǐng)域前沿方向之一，超材料在過去20年中經(jīng)歷了蓬勃發(fā)展。起初，這一領(lǐng)域主要是針對(duì)電磁學(xué)屬性，通過人工設(shè)計(jì)獲得的超常性能的人工結(jié)構(gòu)材料，其超常屬性來源于所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，而并非構(gòu)成結(jié)構(gòu)的材料本征屬性。時(shí)至今日，超材料已擴(kuò)展到包括電磁學(xué)在內(nèi)，覆蓋光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等多領(lǐng)域的一大類具有超常、高性能的人工材料系統(tǒng)。超材料研究的重點(diǎn)逐漸從起初的新機(jī)理、新現(xiàn)象和新結(jié)構(gòu)向針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的新特性和新功能傾斜，為解決工程技術(shù)中的諸多挑戰(zhàn)提供新的解決方案。因此，超材料本身正在從研究型工程材料向應(yīng)用型工程材料轉(zhuǎn)變。第一種超材料誕生于20世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)主要是通過人工設(shè)計(jì)獲得一種具有負(fù)折射率的全新材料。英國著名物理學(xué)家、帝國理工學(xué)院的爵士的兩個(gè)具有里程碑性的重要理論工作是人類進(jìn)行人工設(shè)計(jì)材料屬性的開端：一是通過金屬線的低等離子體頻率實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)介電常數(shù)；二是通過開口環(huán)諧振器模擬分子中的分子環(huán)流產(chǎn)生人工磁性獲得等效負(fù)磁導(dǎo)率。這兩項(xiàng)重要的研究成果為實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)值的負(fù)折射率鋪平了道路，而在此基礎(chǔ)上，最終發(fā)展成為一種材料學(xué)研究的全新理念，即通過基于人工設(shè)計(jì)的工程單元獲得超越自然界的物理特性，在實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象的同時(shí)，也為人們提供了一種人工操控介電常數(shù)與磁導(dǎo)率的方法，進(jìn)而帶來了一系列具有超材料電磁屬性的新材料。例如，負(fù)折射率超材料可以用作一個(gè)完美透鏡，可以突破顯微鏡成像中的衍射極限。此外，具有特殊折射率分布的超材料可以引導(dǎo)光束繞過中心區(qū)域，從而使其對(duì)入射光不可見，這就是所謂的“隱身衣”。其他成果，如超材料完美吸波介質(zhì)、零折射率材料和電磁誘導(dǎo)透明行為皆基于通過人工設(shè)計(jì)獲得所需介電常數(shù)和磁導(dǎo)率而實(shí)現(xiàn)。這些工作均出現(xiàn)在超材料首次被提出后的十年期間。在那十年里，超材料在電磁學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，并擴(kuò)展到光學(xué)領(lǐng)域。隨著這一新概念的成功，人們的眼光也不再局限于電磁學(xué)或光學(xué)中的超常屬性。目前，超材料正在推動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)和熱力學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中的創(chuàng)新，開拓著整個(gè)物理領(lǐng)域的新邊界。在過去20年的發(fā)展中，超材料的設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)得到了長足的發(fā)展。從科學(xué)的角度來看，超材料為物理學(xué)中新機(jī)制、新效應(yīng)的研究提供了非常強(qiáng)有力的平臺(tái)；從工程的角度來看，超材料儼然成為一種材料設(shè)計(jì)的新工具，隨時(shí)等待著人們將其投入實(shí)際應(yīng)用。今天，研究人員越來越關(guān)注如何通過超材料顯著提升現(xiàn)有技術(shù)或發(fā)展出完全不同于傳統(tǒng)觀念的新技術(shù)。超材料這種工程化的材料正從科學(xué)研究向工程應(yīng)用領(lǐng)域過渡。微波超材料是目前最廣泛研究的超材料，超材料概念的首次實(shí)現(xiàn)即在微波波段。許多新的電磁效應(yīng)也多在微波段內(nèi)得到首次證實(shí)，一方面可以獲得高頻下難以出現(xiàn)的材料特性，另一方面可以避免微納加工中的復(fù)雜的加工制備問題。如今，微波超材料也是超材料家族中最接近工業(yè)應(yīng)用的典型，尤其是在通信工程方面。在本期超材料專題中，我們帶來了東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的基于數(shù)字可重構(gòu)天線陣列組成的信息超表面，該研究成果可以巧妙地實(shí)現(xiàn)數(shù)字編碼，其所具有的一系列重要的特性貼近在雷達(dá)和無線通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。在光學(xué)領(lǐng)域，紐約州立大學(xué)布法羅分校的教授團(tuán)隊(duì)及其東北大學(xué)的合作者帶來了一個(gè)巧妙的生物傳感設(shè)計(jì)：一種基于等離子共振的超高分辨率超材料器件。在該設(shè)計(jì)中，來自等離子體溝槽結(jié)構(gòu)的“彩虹”耦合用于實(shí)現(xiàn)光的極強(qiáng)色散響應(yīng)。這種非常緊湊的設(shè)計(jì)可與芯片集成，展示了基于該機(jī)制用于肺癌診斷的外泌體表皮生長因子受體（EGFR）的高性能芯片尺寸傳感器及其所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能。光與物質(zhì)的非線性相互作用一直是光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要熱門話題。杜克大學(xué)的教授團(tuán)隊(duì)是研究光學(xué)非線性超材料的頂尖團(tuán)隊(duì)之一。在超材料專題中，教授對(duì)具有角動(dòng)量或柱面矢量極化的結(jié)構(gòu)光在飽和介質(zhì)這種具有懸浮粒子的工程液體材料中的非線性效應(yīng)研究進(jìn)行了全方面的綜述。飽和介質(zhì)可模擬水下、霧、云或生物組織等混濁環(huán)境，其中的非線性效應(yīng)涉及自聚焦、調(diào)制不穩(wěn)定性和空間孤子的形成等，該方向的研究對(duì)于包括生物成像、水下應(yīng)用和自由空間通信等多場景中的光學(xué)應(yīng)用具有極其重要的指導(dǎo)意義。與電磁波類似，聲波是自然界的另一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，超材料在聲學(xué)工程中也發(fā)揮著重要作用。專題收錄的南京大學(xué)陳延峰教授團(tuán)隊(duì)的一篇展望系統(tǒng)論述了聲學(xué)超材料在未來聲學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，如隔聲、聲學(xué)成像和隱身等，其中，部分研究成果近年來正在投入應(yīng)用，不僅在空氣中，而且包括水下，乃至人體等重要應(yīng)用場景。近年來，古老的折紙藝術(shù)在力學(xué)超材料領(lǐng)域中備受研究人員的關(guān)注，并激發(fā)出機(jī)械超材料方面的許多創(chuàng)新。牛津大學(xué)教授團(tuán)隊(duì)的一篇研究論文介紹了一種可編程折紙超材料，剛性和非剛性折紙單元的組合搭配可以極大地提高超材料的機(jī)械性能。此外，通過使用鑲嵌規(guī)則實(shí)現(xiàn)了超材料特性的可預(yù)測(cè)與可控性。文章中報(bào)道的超材料具有像素化形式，可編程，從而實(shí)現(xiàn)超材料力學(xué)性能的按需定制，因此對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義。武漢理工大學(xué)張聯(lián)盟院士團(tuán)隊(duì)的一篇綜合綜述論文概述了機(jī)械超材料的最新進(jìn)展，包括剛性和強(qiáng)度材料以及具有各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超材料的性能。該文建設(shè)性地討