科技創(chuàng)新

新材料界功不可沒(méi),具有“超”能力的超材料

新材料界功不可沒(méi),具有“超”能力的超材料

長(zhǎng)久以來(lái)，人類(lèi)嘗試打破、控制自然規(guī)律來(lái)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(jì)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(jì)新思路。超材料指的是一類(lèi)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(wú)法實(shí)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(shí)際上，超材料是一個(gè)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(lèi) “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(jiǎn)單介紹幾種常見(jiàn)的超材料：

1、自修復(fù)材料：也稱(chēng)為自愈合材料。與生物體損傷后自我修復(fù)的機(jī)理類(lèi)似，自修復(fù)材料在受到損壞后，可以通過(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)一類(lèi)能夠自身供能且無(wú)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(lái)制作太陽(yáng)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(yáng)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(lái)性能有繼續(xù)提升的可能。

4、氣凝膠：又叫干凝膠，也被稱(chēng)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(lèi)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(duì)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(wú)線電波、和不太為人所知的T射線。實(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。自上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)、歐盟以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家積極研發(fā)隱身超材料以提升作戰(zhàn)能力，由此帶動(dòng)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(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，各國(guó)對(duì)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(cè)技術(shù)也已展開(kāi)探索。Natalia Litchinitser教授及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款可進(jìn)行單個(gè)分子成像和癌細(xì)胞檢測(cè)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(duì)卵巢或腺體腫瘤活體切片組織中的單個(gè)癌細(xì)胞的早期檢測(cè)還難以實(shí)現(xiàn)，但是超材料超透鏡的使用就能夠打破這一困局。

4D打?。?/span>3D打印技術(shù)無(wú)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(gè)新的研究熱點(diǎn)。根據(jù)機(jī)械力、溫度、磁場(chǎng)等外部條件的變化，4D打印材料會(huì)隨時(shí)間推移而改變形狀或功能。隨著科學(xué)家將一種名為磁場(chǎng)反應(yīng)機(jī)械超材料(FRMM)應(yīng)用到4D打印中，用來(lái)展示可編程、可預(yù)測(cè)和高度控制的機(jī)械性能變化，且具有大動(dòng)態(tài)范圍和快速可逆的響應(yīng)，方便應(yīng)用遠(yuǎn)程磁場(chǎng)。

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(guó)、中國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本等多國(guó)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(mén)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、超材料設(shè)計(jì)、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(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)、英國(guó)、德國(guó)。

我國(guó)至今已有相關(guān)專(zhuān)利4718相，其次是擁有3210項(xiàng)專(zhuān)利的美國(guó)，日本和韓國(guó)分別擁有3017項(xiàng)和1077項(xiàng)專(zhuān)利緊隨其后。我國(guó)雖然開(kāi)始超材料技術(shù)研發(fā)較晚，但是政府一直對(duì)超材料技術(shù)高度關(guān)注，在863計(jì)劃、973計(jì)劃、“十三五”規(guī)劃綱要以及國(guó)家自然科學(xué)基金等科技計(jì)劃中予以立項(xiàng)支持，也正因如此，我國(guó)在超材料研究領(lǐng)域中內(nèi)取得了驕人成績(jī)。結(jié)語(yǔ)：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(lái)獲得更出色表現(xiàn)的超級(jí)材料，超材料也為各行業(yè)帶來(lái)了新的應(yīng)用啟發(fā)，推動(dòng)了科研進(jìn)展。新材料的誕生往往可能帶給行業(yè)震動(dòng)，我們期待著超材料在日后的表現(xiàn)。