超材料是一種特種復合材料或結(jié)構，通過對材料關鍵物理尺寸上進行有序結(jié)構設計，使其獲得常規(guī)材料所不具備的超常物理性質(zhì)。目前，超材料的主要研究和應用集中在電磁領域，相關概念、方法和研究應用已經(jīng)擴展到聲波、太赫茲、光波、熱學、力學等領域。光子晶體、左手材料、隱身衣等超材料研究成果被美國《科學》雜志先后于2000年、2003年、2006年選為年度10項重大進展之一。《今日材料》（Materials Today）雜志在2008年將超材料評為材料科學50年中的10項重要突破之一。2010年，《科學》雜志又將超材料列入本世紀前十年的10項重要科學進展之一。2007年，世界知名科學文獻出版社愛思唯爾甚至專門為超材料新開了一個期刊《超材料》（Metamaterials）。以超材料為主題的專刊和學術會議也非常之多，超材料奠基者Pendry爵士和Smith博士在2009年被湯森路透社預測為諾貝爾物理學獎的熱門人物。

近15年來，超材料研究之所以能引起全世界的高度關注，源自超材料所體現(xiàn)的材料設計思想的重大創(chuàng)新，以及這一創(chuàng)新將產(chǎn)生的重大效益。首先，通過材料結(jié)構的創(chuàng)新設計，實現(xiàn)全新的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生具有重大軍用、民用價值的新技術、新材料，促進甚至引領新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展；然后利用超材料設計思想，提升傳統(tǒng)材料性能，突破稀缺資源瓶頸，實現(xiàn)傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)的技術升級和結(jié)構調(diào)整。一些典型應用如：對通信行業(yè)產(chǎn)生變革的各種新型天線；應用于太陽能技術、隱形、噪音的光波、微波和聲學吸波體；應用于微電子、光電子工業(yè)及醫(yī)療成像的超透鏡；應用于隱身的隱形裝置；各種光學、微波和聲學的濾波器；超強超輕的結(jié)構超材料；甚至可以使建筑免于地震波破壞的防護結(jié)構等。

目前，美國國防部把超材料列為“六大顛覆性基礎研究領域”之首，專門啟動了關于超材料的研究計劃。美國國防部先進研究項目局把超材料領域定義為“強力推進增長領域”。美國空軍科學研究辦公室在2012財年把超材料列入“十大關鍵領域”。從事超材料研究的大學主要有杜克、賓州州立、賓州、麻省理工、普度、加州伯克利、得州奧斯汀等。除了傳統(tǒng)知名公司如波音、雷神和洛克希德馬丁等，還有眾多新興公司如Kymeta、Fractal Antenna System、Metamaterial Technologies、Fianium、Evolv、Metamagnetics等從事超材料的產(chǎn)業(yè)化。俄羅斯第五代戰(zhàn)機PAK FA（T-50）使用超材料增加其在電磁及光波波段的隱身特性，以與美國的F35戰(zhàn)機在隱身性能進行競爭，確保其速度、操控性、航程、武器載荷和隱身的綜合性能可以與對手抗衡。歐盟和日本也投入了高額經(jīng)費對超材料技術相關項目進行了大力支持。

俄羅斯T-50戰(zhàn)機

超材料物理原理

在中國，以深圳光啟為代表的科研團隊在863計劃、973計劃、國家自然科學基金的支持下，在超材料領域內(nèi)開展了具有一定影響力和有特色的研究和應用工作，有的原創(chuàng)成果處于國際領先地位。深圳光啟由留美歸國的科研人員創(chuàng)辦，專注于超材料的產(chǎn)業(yè)化，憑借其在超材料基礎領域的技術積累和大規(guī)模數(shù)據(jù)計算能力，在超材料核心技術研發(fā)中屢創(chuàng)新高：2010年7月，研發(fā)制成并測試包含有60萬個人工微結(jié)構的超材料“電磁魔方“（比2009年劉若鵬、季春霖等在《科學》 雜志上發(fā)表的6000個微結(jié)構的復雜度提高了100倍），實現(xiàn)波束的空間調(diào)制，還能實現(xiàn)線極化波和圓極化波間的相互轉(zhuǎn)化。此成果還創(chuàng)造了同時期超材料領域的全球之最，也證明了這種新技術的可行性和有效性，基于此，光啟開發(fā)出含有數(shù)十萬微結(jié)構的可在Ku頻段將電磁波聚焦的樣品。2011年3月，光啟成功開發(fā)了包含有1000萬個人工微結(jié)構的功能性超材料。光啟團隊無論在超材料的結(jié)構開發(fā)、仿真建模，還是前沿應用方面，都掌握著源頭創(chuàng)新的核心技術，大大縮短了設計時間，可在短時間內(nèi)完成微結(jié)構的構建，使我國在超材料的設計技術方面已處于世界領先地位。

除了主持和參與多個與超材料相關的重點項目，光啟還研發(fā)出超材料平板衛(wèi)星天線、超材料濾波器和超材料無線互聯(lián)解決方案。平板衛(wèi)星天線在22個省市進行了測試，在北京、天津等地得到了實際應用，并榮獲2013年CITE創(chuàng)新產(chǎn)品與應用金獎。超材料迷你射頻濾波器通過特定的微結(jié)構和微結(jié)構排布方式的設計，使得超材料諧振子在諧振腔中產(chǎn)生一種特殊的低頻模式，同時有效的抑制了高次模，從而實現(xiàn)了濾波器的小型化。目前研制出的最新超材料迷你射頻濾波器只有傳統(tǒng)濾波器體積的1/4，重量也是傳統(tǒng)濾波器的1/4，峰值功率卻能達到同類產(chǎn)品的2倍，榮獲2013年CITE創(chuàng)新產(chǎn)品與應用金獎?；诔牧系某塛iFi無線互聯(lián)解決方案，使得無線WiFi信號可以在預設范圍內(nèi)傳播，嚴格把控信號的干擾，降低設備輻射電磁波的功率，帶來前所未有的客戶體驗，已經(jīng)應用于深圳地鐵、深圳會展中心、前海深港現(xiàn)代服務業(yè)合作區(qū)等，并且榮獲2014年CITE創(chuàng)新產(chǎn)品與應用獎。利用多年研發(fā)超材料的經(jīng)驗，光啟組織專家對超材料領域進行多次調(diào)研，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)表的超材料文獻等資料，系統(tǒng)地對超材料和電磁超材料進行定義和規(guī)范，起草編寫了國家標準《電磁超材料術語》草案，已于2015年初報送至國家標準化管理委員會。這一標準規(guī)定了電磁超材料的類別、功能、設計、基材、應用等相關方面的70多個術語和相應的定義，適用于電磁超材料在科研、教學、生產(chǎn)、工程等領域的應用，涉及電磁超材料的其他方面也可參考使用。

與其說超材料是一種新的性質(zhì)超常的材料形態(tài)，不如說超材料提供了一種材料設計的理念——人們的思維不再受限于自然材料參數(shù)和功能的限制，突破傳統(tǒng)的思維框架。除了在目前已有領域繼續(xù)發(fā)揮和拓展其功能，可以預期的是，未來超材料還會滲透到更多目前不曾預料到的領域，帶給人類社會更多的美好改變，就像超材料的開路者之一Pendry爵士所說，上世紀60年代激光被發(fā)明的時候誰知道這玩意兒會有什么用呢，今天的超材料就是昨天的激光。

作者：冬渠，轉(zhuǎn)載請注明來源新材在線和作者