超材料的未来发展方向是什么？

文/江洪 王微 许露
中国科学院武汉文献情报中心
中国科学院武汉文献情报中心
中国科学院大学
超材料（Metamaterial）与过去一直研究和应用的铜、铁、半导体等原子、分子以及纳米级别的材料不同，是一种全新材料，它提供了一种可以让人们随心所欲制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法。可以说，超材料是继高分子材料、纳米材料之后材料领域又一重大突破，将对世界科技发展产生重要影响。
超材料的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础，设计材料关键物理尺度的结构，以得到不受自然规律限制的天然材料不具有的超常功能。超材料类似于自然界中存在的晶体结构物质，通过原子的有序排列和有序调节，使得晶体材料显示出一些无定型态所不具备的物理特征。而超材料可以理解为人们通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。

超材料的种类

超材料一词在1999年被 Rodger 首次提出，其范围主要包括左手材料、光子晶体、电磁晶体、超磁性材料、频率选择表面、人工磁导体、基于传输线结构的超材料、等离子结构的超材料等。
负折射率材料。负折射率材料的基本原理来自于电磁学理论，用来表示某一种物质的电磁性质的是介电常数和磁导率这2个基本物理量。如果这2个常数都是负数就被认为“不具有任何物理意义”。前苏联科学家韦谢拉戈（Veselago）在20世纪提出了介电常数与磁导率可能同时为负的理论，并构想了一种具有负折射率的材料（图1），由于它违反了光学定律，人们普遍认为它只是科学家臆想出来的理论，并不可能实际存在。

然而，2003年英国帝国理工学院的彭德利(Pendry)通过理论计算得出了2个重要推论：①间距在毫米级金属细线的格子中具有类似等离子体的物理行为，共振频率在GHz与低于此频率时介电常数出现负值；②利用非磁性导电金属薄片构成开环共振器组成的方阵（见图2），可实现负的有效磁导率，而且负的磁导率是可调的。这个理论为人工实现超材料带来了可能，实现这种理论的材料在自然界的物质中是无法达到的，但通过人为设计最终有可能达到。
零折射率超材料。2006年，Pendry又设计了零折射率超材料，可以用于制备“隐形斗篷”（如图3）。因为光在负折射率材料中的折射与常规材料中的折射是相反的，因此，光从正折射率的材料入射到负折射率材料的界面上时，其入射光线和折射光线处于界面法线方向同一侧，从而可以带来光的异常传播和光的扭曲现象，基于这一原理设计了具有隐身特性的材料。而美国哥伦比亚大学机械工程系副教授王琪薇等将正折射率和负折射率结合在一起，实现了对光子相位的精确控制，还研制出一种能操纵光的折射率并且完全控制光在空气中的传播的光纳米结构，并证明光能从某一点传到另一点而毫无相变地穿过人造传播媒介，好像该媒介并不存在一样。

在一段时间内，研究人员在左手材料、电磁黑洞、隐身斗篷、透射增强材料等超材料中看到许多不一样的电磁特性。超材料领域研究中处于领军地位的国家和地区主要是美国和欧洲。2000年底，美国国防部“国防高级研究计划署”联合美国一些大学和研究机构，开展了关于超材料的研究计划，为超材料技术的广泛应用奠定了基础。欧盟也联合欧洲24所大学共同开展了联合协调项目METAMORPHOSE（MetaMaterials Organized for radio，millimeterwave，and Photonic Superlattice Engineering）。
我国主要通过国家自然科学基金、国家“973”计划、国家预研技术等项目对超材料的基础研究工作予以资金支持，并且产生了一批具有影响力的研究成果。如清华大学、中国科学院物理研究所、东南大学、浙江大学、复旦大学、南京大学等研究机构都在相关的基础研究领域形成积累，并形成了在国际上有一定影响的研究队伍。
在超材料技术产业化方面，国外在积极进行超材料产业化研究的公司包括波音航天航空公司（美国）、丰田汽车公司（日本）、LG电子公司（韩国）、雷神导弹公司（美国）等；国内的深圳光启高等理工研究院（简称“深圳光启研究院”）在超材料产业化方面取得了一定成果，在推进超材料产业化方面走在世界前列，该研究院的超材料平板式卫星天线已经在个别地区得到了应用。

超材料的应用领域

超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广泛，其应用范围覆盖了工业、军事、生活等各个方面。特别是电磁超材料，对未来的通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术产生了深远的影响。
不同性质的超材料可以应用于不同的领域，比如，用于微波器件设计和制作的超材料，可以制作成宽带相移器、功率分配器、平板聚焦透镜、带通滤波器、高指向天线、耦合器等元器件，并广泛应用于电磁波防护、电磁隐身等领域。
用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜，其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域，高定向性透镜主要应用于透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域，高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域；电磁超材料可以用于隐身衣、电磁黑洞、慢波结构等元器件的制作。其中，隐身衣主要应用于军事领域；电磁黑洞主要应用于太阳能电池，红外热成像，飞机、导弹、舰艇、卫星等领域；慢波结构主要应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术、光缓存、深亚波长光波导等领域。
通过分析全球重点研究机构超材料研究的最新动态，可以及时了解超材料研究的发展方向及新兴市场。因而，通过本文对全球重点研究机构的部分超材料研究进行的解读，可以看出，超材料制造、激光器和光子晶体谐振器是研究机构和企业比较关注的应用研究领域。此外，佳能株式会社还关注将超材料用于微结构制造和发光器件的研究；日本电报电话公司还关注将其用于天线装置和光谐振器的研究；深圳光启研究院还关注将其用于封装夹具、集热器等方面的研究；三星电子还关注将其用于射频识别系统、光纤等的研究；中国科学院还关注将其用于可集成量子行走器件等的研究；京都大学还关注将其用于光电转换元件和太阳能电池等的研究；麻省理工学院还致力于将超材料用于陀螺仪和光纤波导等领域的研究。近2年，韩国、德国、法国和俄罗斯的超材料领域研究也快速发展，世界超材料领域研究竞争更加激烈。

超材料未来发展方向

超材料将有可能成为一种前途不可限量的新型材料，但是目前距离真正大规模的产业化还有一定距离，有许多的难题有待克服，这也将成为未来超材料研究的主流方向，并可能出现因技术的进一步突破取得更多成果的领域。笔者认为，超材料的研发要注重以下一些方向：
①对超材料的工作频段和方向控制的研究。从工作频段来说，超材料的频段还只能达到红外层次，同时大多数负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。对于实现更好隐身功能需要来说，其工作波段最少应覆盖整个可见光波段，同时也需要实现具有各向同性的特性，即从更宽的光波波段和不同方向上实现对光的控制。这将是未来超材料发展的重要课题。
②超材料的产业化发展。超材料技术目前还处于实验室到产品中试阶段，如果要进行更大规模的产业化，还需要研究大规模制造大体积超材料的方法。目前实验室仅掌握在平面上的超材料的制造工艺，具有三维空间的立体超材料还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上，这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模地制造超材料是实现超材料广泛使用的重要前提。
③新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法。
④不同超材料之间相互作用的研究。这一方向的研究主要包括对超材料进场波与超材料自由空间电磁波的耦合研究，以及对超材料内部的传播性质的研究。而对其规律性的研究又不断提出新的理论、技术、方法的需求，从而推动与此相关的新理论概念、分析方法和实验测量技术的发展。

原文刊登于《新材料产业》2014年第9期。