科技創(chuàng)新

新材料界功不可沒,具有“超”能力的超材料

新材料界功不可沒,具有“超”能力的超材料

長久以來，人類嘗試打破、控制自然規(guī)律來獲得科學(xué)突破，超材料的思想基礎(chǔ)正式基于此。在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律之下，利用人工技術(shù)，制造于自然界中物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，這就是超材料。超材料誕生于21世紀(jì)，隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計思想的局限性日益暴露，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料成為材料設(shè)計新思路。超材料指的是一類具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，它們擁有一些傳統(tǒng)材料無法實現(xiàn)的特殊性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)。實際上，超材料是一個跨學(xué)科的課題，其涵蓋的范圍極廣，并不是單單某一種物質(zhì)的相關(guān)材料而已，比如電子工程、材料科學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、納米科技等等都與超材料有所交集。

超材料的種類 “左手材料”、“超磁性材料”、“光子晶體”、“金屬水”等都屬于超材料，這里簡單介紹幾種常見的超材料：

1、自修復(fù)材料：也稱為自愈合材料。與生物體損傷后自我修復(fù)的機(jī)理類似，自修復(fù)材料在受到損壞后，可以通過材料體內(nèi)嵌的“修復(fù)液”進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定來修復(fù)自身的效果。

2、熱電材料：是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料。隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)，熱電材料在這些方面很有應(yīng)用前景。

3、鈣鈦礦：和晶體硅一樣，可以用來制作太陽能電池的替代材料。根據(jù)數(shù)據(jù)，這種由鈣鈦礦制作的太陽能轉(zhuǎn)化率在2009至2014年間從3.8%提升至19.3%，因此也被科學(xué)家認(rèn)為其未來性能有繼續(xù)提升的可能。

4、氣凝膠：又叫干凝膠，也被稱為藍(lán)煙或凍結(jié)的煙，具有超輕質(zhì)、極低熱導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性、高吸附性、高吸能、隔音等特性，還具有膨脹作用、觸變作用、離漿作用，這使其不僅具有良好的延展性，還擁有透氣、防火、吸收油和水的優(yōu)良性質(zhì)。

5、Stanene材料：這是一種具有100%導(dǎo)電率的材料，與石墨烯結(jié)構(gòu)類似，是由錫原子構(gòu)成的單原子層材料。根據(jù)張首晟教授在2013年的理論化模型可知，Stanene是一種邊緣為導(dǎo)體而內(nèi)部是絕緣體的拓?fù)浣^緣體，在室溫以下就可以零阻力導(dǎo)電。 6、光操縱材料：光操縱超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對光線進(jìn)行散射，它或許真的可以讓物體隱形。根據(jù)制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

超材料的應(yīng)用案例超材料在通信、醫(yī)學(xué)、國防、航天航空、遙感等諸多領(lǐng)域有所應(yīng)用。隱身材料：軍事領(lǐng)域是超材料產(chǎn)業(yè)化較早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，超材料首先在隱身方面實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。自上個世紀(jì)80年代以來，美國、歐盟以及日本等發(fā)達(dá)國家積極研發(fā)隱身超材料以提升作戰(zhàn)能力，由此帶動了超材料在武器裝備隱身領(lǐng)域中的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐以及市場規(guī)模擴(kuò)大，各國對武器裝備中的隱身技術(shù)應(yīng)用的投入也逐漸加大。超材料超透鏡：利用超材料進(jìn)行早期癌細(xì)胞檢測技術(shù)也已展開探索。Natalia Litchinitser教授及其團(tuán)隊設(shè)計了一款可進(jìn)行單個分子成像和癌細(xì)胞檢測的透鏡——超材料超透鏡。這種超材料超透鏡能將漸散的光波轉(zhuǎn)化成能被標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備收集傳播的光線，繼而突破散射的限制。例如在現(xiàn)有醫(yī)療條件下，對卵巢或腺體腫瘤活體切片組織中的單個癌細(xì)胞的早期檢測還難以實現(xiàn)，但是超材料超透鏡的使用就能夠打破這一困局。

4D打印：3D打印技術(shù)無處不在，而4D打印已經(jīng)在路上了。出于制造反應(yīng)更靈敏、適應(yīng)性更強(qiáng)材料的需要，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個新的研究熱點(diǎn)。根據(jù)機(jī)械力、溫度、磁場等外部條件的變化，4D打印材料會隨時間推移而改變形狀或功能。隨著科學(xué)家將一種名為磁場反應(yīng)機(jī)械超材料(FRMM)應(yīng)用到4D打印中，用來展示可編程、可預(yù)測和高度控制的機(jī)械性能變化，且具有大動態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠(yuǎn)程磁場。

超材料發(fā)展現(xiàn)狀超材料優(yōu)異的特性以及革命性應(yīng)用前景，吸引了美國、中國、歐洲、俄羅斯、日本等多國政府及波音、雷神等機(jī)構(gòu)的關(guān)注。如今，超材料已成為全球范圍內(nèi)的熱門前沿高技術(shù)之一，相關(guān)研究已涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設(shè)計、超材料加工制造和超材料的應(yīng)用。目前，全球超材料技術(shù)主要集中于中國、美國、日本、韓國、英國、德國。

我國至今已有相關(guān)專利4718相，其次是擁有3210項專利的美國，日本和韓國分別擁有3017項和1077項專利緊隨其后。我國雖然開始超材料技術(shù)研發(fā)較晚，但是政府一直對超材料技術(shù)高度關(guān)注，在863計劃、973計劃、“十三五”規(guī)劃綱要以及國家自然科學(xué)基金等科技計劃中予以立項支持，也正因如此，我國在超材料研究領(lǐng)域中內(nèi)取得了驕人成績。結(jié)語：關(guān)于超材料的研究與應(yīng)用隨著科技的提升不斷深化發(fā)展，在多領(lǐng)域內(nèi)扮演了不可替代的角色。作為一種由人工力量突破傳統(tǒng)材料性質(zhì)界限來獲得更出色表現(xiàn)的超級材料，超材料也為各行業(yè)帶來了新的應(yīng)用啟發(fā)，推動了科研進(jìn)展。新材料的誕生往往可能帶給行業(yè)震動，我們期待著超材料在日后的表現(xiàn)。