超材料的研發(fā)和應(yīng)用

  超材料(Metamaterial),又稱特異材料,是21世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)新的學(xué)術(shù)詞匯,其定義是“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”。近些年來,超材料在國(guó)際上引起越來越大的關(guān)注,并正在尖端領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。

  一、用于平面天線的超材料

  2014年,英國(guó)BAE系統(tǒng)公司和倫敦大學(xué)合作,創(chuàng)造了一種制造平面天線透鏡的新穎超材料,可使電磁波通過透鏡聚焦,從而實(shí)現(xiàn)提高天線增益和增強(qiáng)方向性的目的。這一突破可能使飛機(jī)、艦艇、無線電和衛(wèi)星天線的設(shè)計(jì)產(chǎn)生劃時(shí)代的變革。這種平面透鏡具備曲面透鏡的電磁屬性,同時(shí)保留同樣的寬帶性能。這種復(fù)合超材料透鏡能夠嵌入飛機(jī)的蒙皮中,是對(duì)目前的機(jī)載天線的一個(gè)重大飛躍。使用新型平面天線技術(shù),可以用一個(gè)天線替換過去不同頻率工作的多個(gè)天線。超材料天線具有質(zhì)量低、靈敏度高和方向性好的優(yōu)點(diǎn),是雷達(dá)、戰(zhàn)斗機(jī)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的必備材料。

  二、捕獲微波能量的超材料

  2013年,美國(guó)杜克大學(xué)設(shè)計(jì)了一種能量采集器,可調(diào)諧捕捉到的微波信號(hào)。能量采集器的關(guān)鍵在于應(yīng)用了超材料,其人工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以捕捉各種形式的波能并調(diào)諧為可用能量,其能量轉(zhuǎn)換效率接近于太陽能電池。此無線能量采集器件可將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓,為手機(jī)電池或其他小型電子設(shè)備充電。能量采集器工作原理與將光能轉(zhuǎn)換為電能的太陽能電池相似。這種通用能量采集器可以采集其他能源的信號(hào),包括衛(wèi)星信號(hào)、聲波信號(hào)或Wi-Fi信號(hào)。超材料結(jié)構(gòu)電路還可用于其他類型的能量采集,如振動(dòng)能和聲能。這種超材料能量采集器可以制作到手機(jī)上,在閑置時(shí)允許手機(jī)無線充電。

  三、具備隱身功能的超材料

  2014年,美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)科學(xué)家創(chuàng)造了被稱為超材料的人造納米結(jié)構(gòu),可以使光彎曲。在一個(gè)物體周圍控制和彎曲光線從而使肉眼難以看到物體。天然材料不可能將光線彎曲,這種人造納米結(jié)構(gòu)超材料卻可以實(shí)現(xiàn)此功能,在3維空間通過結(jié)構(gòu)操縱、控制電磁響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的精確控制。利用此技術(shù)可以使戰(zhàn)斗機(jī)隱身于探測(cè)系統(tǒng),不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。

  最近幾年,國(guó)際上還開發(fā)出各種各樣的物理隱形衣。除了光學(xué)隱形衣使對(duì)象難以看到,還開發(fā)出其他類型隱形衣可以讓熱或聲音不受影響地穿過;還報(bào)道開發(fā)出了一個(gè)全新的力學(xué)隱形衣,它使對(duì)象難以觸摸到。這種隱形衣由聚合物超材料制成,是一種亞微米精度結(jié)構(gòu)的晶體材料,由針形錐體組成。對(duì)此結(jié)構(gòu),手指或測(cè)量?jī)x器無法感受到它的存在。

  四、寬帶太赫茲通信用超材料

  2014年,美國(guó)能源部Ames實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了采用超材料可產(chǎn)生寬頻帶太赫茲(THz)電磁波。THz電磁波位于電波(如微波和無線電波)和光波(如紅外和紫外波)之間的中間頻帶。此發(fā)現(xiàn)將有助于開發(fā)無損成像和傳感技術(shù),使THz速率的信息通信、信息處理和存儲(chǔ)成為可能。