本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2018年第6期

(资料图)

作者：周济，李龙土

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（三）超材料减震技术

机械/声学超材料近年来发展迅速，这类超材料有迫切的工程需求。机械超材料是对各种力学作用做出超常响应的人工材料，按所调控的弹性模量不同可分为超强、超硬超材料，可调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀、拉胀超材料和智能超流体。利用这些超常力学性质，可以开发出很多应用功能，其中一个成功的工程应用领域是减震和降噪。目前常用超材料实现减震降噪的方案很多，其中一个方案是利用电磁波“隐身斗篷”类似的坐标变换原理，将受保护物体利用特殊设计的力学超材料包覆起来，使机械波绕开物体。这一思路也被用于大型建筑及城市的地震防护。此外，利用具有负泊松比（受到拉力时发生侧向膨胀）超材料和负刚度超材料的组合，科学家成功地研制出了能够抑制许多不同频率的振动的新型防震结构，可望应用于运送早产儿的车辆上。

四、值得关注的颠覆性技术

（一）超材料透镜

超材料透镜是一类典型的颠覆性技术。传统透镜受到衍射极限的约束限制，光学器件无法对尺度小于半个工作光波长的物体成像，其深层物理原因是常规介质中倏逝波的衰减。2000年，Pendry在理论上提出了负折射材料可以用于制作超透镜的想法，并证明了当介质的介电常数为负数时，电磁波中的倏逝波成分会被放大，其中所携带的信息就可以在负折射率介质材料中传播。由负折射材料制备的平板具有成像的功能，物体发射出的光线会经负折射率平板前后界面两次折射后重新汇聚在一起，进而实现无衍射极限的成像（见图3）。

图3 超透镜原理示意图

近年来，各种超透镜的设计层出不穷，由于在超材料加工上的困难，对于可见光频段的超透镜在实验方面进展较慢。2015年，Sun等设计并研制出了一种可进行单个分子成像和癌细胞检测的透镜——超材料超透镜，可将光学内视镜的成像分辨率从10 000 nm提高至250 nm或更好。最近，Arbabi等开发了一种新型平面光学透镜系统，该系统可以实现批量生产，并且还能与图像传感器进行集成，可望用于小型化的相机和显微镜中，并扩展其功能和操作方式。

超材料透镜在生物、材料、微电子学、光学工程领域都有急切的要求。可以对病毒和DNA分子、细胞以及各种材料的显微结构等在自然环境中进行直接观察。同时，基于超材料的完美透镜可实现亚波长尺度的光刻，一旦实现将使微电子加工技术水平大幅度提高，从而进一步延续集成电路的摩尔定律。

（二）全光信息元器件

全光信息技术是信息技术发展的重要方向，是突破电子技术“摩尔定律”物理极限的主要途径。尽管这一技术原理已趋于完善，但在实际应用中面临着一系列器件的实现问题，其中作为逻辑光路的核心部件的全光开关器件是光信息技术的主要难点。常规全光开关借助于光学非线性过程，需要较高（远高于信号）的驱动光功率（非线性阈值），同时材料内部结构的改变和弛豫过程需要相对较长的响应时间（开启和关闭时间）。高阈值功率和低响应速度是全光开关技术走向应用的主要障碍。

超材料为构筑新型全光开关器件提供了新的可能性。笔者首次提出了一种基于超材料中模态耦合的全光开关的设计思想：利用介质超材料中人工原子可承载多个谐振模态的特性，通过两束电磁波导致的电磁谐振模态发生相互耦合，改变通过材料的信号波传播特性，进而实现全光调制。由于这种新机制无需通过非线性光学过程参与，所获得的全光开关器件将具有低开关阈值和极高的开关速度，从根本上解决制约光开关技术的两大核心问题，即开关阈值和开关速度问题，从而突破全光信息技术的瓶颈（见图4）。

图4 超材料全光开关原理示意图

（三）超材料与常规材料的融合

超材料是一种特殊的材料。超材料与常规材料相比，其界面非常清晰，超材料的功能主要来源于人工结构，与源于自然结构的常规材料完全不同。两类材料的优势和劣势完全相反，常规材料源于自然，易于获得，但难于设计和剪裁；超材料则刚好相反，易于设计和剪裁，但不容易获得。鉴于此，笔者提出了通过超材料与常规材料的融合构建新型功能材料的概念，并在此基础上发展出了介质基电磁超材料、本征型超材料介质及若干种基于超材料原理的“常规材料”（见图5）。

图5 超材料与常规材料的融合

超材料与常规材料的融合能够发展出一些新的材料，为突破常规材料的性能极限开辟了新的道路。常规材料的性能主要取决于材料的自然结构，如原子结构、电子结构、分子结构、化学键结构、晶体结构、晶粒–晶界结构等。随着材料科学和技术的进步，人们对这些结构的操控能力逐渐增强，材料的性能不断提高，越来越趋近于材料的自然极限。同时，自然单元和结构间的相互关联和相互影响，也决定了人们无法随心所欲地对材料性能进行精准操控。超材料结构单元简单，易于被操控，因此可望成为突破常规材料功能极限的一种途径。

超材料与常规材料的融合也是超材料走向工程化应用的一个捷径。狭义的超材料是具有常规材料所不具备性质的人工材料，尽管其性能极具吸引力，但真正形成对应的产业技术尚需要一个发育期。而利用超材料的方法构筑具有优异性能的“人工常规材料”，则可望借助已有的工业技术系统，将超材料迅速推向工程化。

五、技术难点及政策建议

超材料的应用可能导致众多领域的技术变革，目前这些技术变革正处于酝酿阶段，值得密切关注和期待。作为一大类全新的材料系统，从超材料的研发到产生颠覆性技术需克服一系列技术障碍。主要体现在以下几点。

（1）超材料的模拟设计技术。目前超材料的研究以原理性探索为主，模拟仿真技术基于简单模型和通用的模拟软件，而实际应用的器件设计需要考虑多种服役因素、多场耦合和海量计算，各种超材料的专用设计技术尚需进一步发展。

（2）超材料的制备技术。超材料制备需要精密的材料加工，特别是一些电磁超材料（如太赫兹以上频率的电磁超材料）的制备依赖于相关加工技术的进步。

（3）大尺寸超材料的工程可行性和服役性能。超材料由大量的人工结构单元构成，这种单元阵列的可工程化及其服役性能（如机械性能、热性能等）是其应用的难点，例如，利用电磁斗篷实现军事目标的完美隐身需要在其外面包覆较厚的超材料“铠甲”，如何将其减薄是一个重要难题。

为推动超材料技术的发展，建议采用以下措施：

（1）加强对超材料及其工程化领域的研发投入。在国家和地方各类科研计划中提高对超材料研究的投入。面向技术路线清晰的重大需求，启动相关研究专项，通过示范性研发，带动通用技术的完善。

（2）通过政策引导推动超材料产业链的形成。将超材料应用列入国家产业发展计划，培育基于超材料的新型高新技术产业的形成和发展，鼓励超材料向信息技术、常规材料、能源、国防军工、精密仪器等领域渗透。

（3）重视超材料与常规材料的融合。加快建立超材料应用的标准体系，重点发展基于超材料思想和常规功能的新型材料系统，推动这些超材料走向传统工业领域，形成颠覆性技术。

（4）重视超材料的科普工作。通过多种方式，使科技界、工业界以及公众对超材料的科学意义和应用价值有更全面的理解，增强全社会对这一新兴颠覆性技术的重视，提高企业和国防部门对超材料应用的积极性。

注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。

作者介绍

周济

无机非金属材料专家，中国工程院院士。

主要从事信息功能陶瓷材料与元器件研究。