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，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”進行化學(xué)反應(yīng)達到穩(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)的進展以及環(huán)境污染和能源危機日益嚴重的今天,，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)部是絕緣體的拓撲絕緣體，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80年代以來，美國,、歐盟以及日本等發(fā)達國家積極研發(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：利用超材料進行早期癌細胞檢測技術(shù)也已展開探索,。Natalia Litchinitser教授及其團隊設(shè)計了一款可進行單個分子成像和癌細胞檢測的透鏡——超材料超透鏡。這種超材料超透鏡能將漸散的光波轉(zhuǎn)化成能被標準設(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)性更強材料的需要,，“4D打印”成了材料領(lǐng)域一個新的研究熱點。根據(jù)機械力,、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)。