納米織造隱身衣

納米級微小粒子組成的超材料可以讓光線拐彎，繞過障礙物。被超材料包裹的人，怎樣在不被看到的情況下看到外面？美國的材料學(xué)家關(guān)于超材料的發(fā)現(xiàn)和中國物理學(xué)家的反隱形材料研究，讓隱形不再遙不可及。

皇帝的新裝被孩子的一句真話戳穿了：“他沒穿衣服！”這事如果發(fā)生在今天，也許會有人懷疑他是否穿的是隱身衣。傳說中的隱身衣總是這樣被使用：齊格弗里德靠它騙過凡人不可戰(zhàn)勝的女武神，而希臘英雄帕修斯則披著它躲過目光如炬的女妖斬殺了美杜莎。神話中依靠神奇的頭盔或者披風(fēng)隱匿形體斬除妖魔的英雄們，在都市傳說中搖身一變，成了依靠喝下特殊藥水讓身體透明的隱形人。在文學(xué)、電影的推動下，人類繼續(xù)著自遠(yuǎn)古以來就有的夢想——似乎隱匿了軀體即可克敵制勝。

而現(xiàn)實(shí)中，最初人們從一些蜥蜴和昆蟲身上得到了仿生學(xué)的啟示，給士兵和武器涂上與環(huán)境相似的顏色以試圖欺騙敵人的眼睛。同時(shí)，材料科學(xué)的進(jìn)步也讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，制造出能讓人穿著就可以從陽光下遁形的衣服，要遠(yuǎn)比發(fā)明一種能同時(shí)把人體的蛋白質(zhì)、脂肪和碳化合物變透明的藥物來得現(xiàn)實(shí)。隱身衣也更體貼，穿一件即可隱形——即便喝了隱形藥水，還得脫光了會使你暴露的衣服，在風(fēng)里挨凍。

超材料的隱形把戲

弗拉吉米爾#8226;沙拉耶夫（Vladminr Shalaev）造出了隱身衣。他不會魔術(shù)，也不懂魔法，身為美國印地安那州普渡大學(xué)的材料學(xué)專家，他通曉材料反射光線的秘密：“假如一樣?xùn)|西反射的光線根本沒有到達(dá)你的眼睛會怎樣？就跟你背對著它一樣吧?！钡俏覀兌贾涝鯓涌匆姳硨χ臇|西——只要有一面鏡子幫助光線反射到我們的眼睛就成?！安贿^，即使你面對隱身斗篷，你還是看不見它。不僅如此，你會看到本應(yīng)被它阻擋的東西。因?yàn)橹灰獩]有光從它上面反射到你的眼睛，你就看不到它?！?/p>

在沙拉耶夫之前，也是有一些“隱身衣”的。東京大學(xué)的田智前教授曾經(jīng)依靠6 臺1160 萬像素的攝像機(jī)展示過一款“隱身衣”：衣服后面的場景被這些攝像機(jī)拍攝下來，隨后經(jīng)過一臺性能極強(qiáng)的計(jì)算機(jī)的處理，然后再投射到由一個非常明亮的電子顯示器制成的衣料上。而俄羅斯烏里揚(yáng)諾夫斯克州立大學(xué)的奧萊格#8226;加多姆斯基教授則是依靠黃金膠體粒子吸收了大量光子。這副名副其實(shí)的“黃金甲”基于銳減散射光的原理，事實(shí)上是把物體遮起來了，把一個黃金人變成黑衣人。

魔法師能隱形，因?yàn)楦鶕?jù)傳說他根本就可以讓物體消失，看的人最后沒得可看。魔術(shù)師把艾菲爾鐵塔變成隱形，依靠的則是“把戲”——看臺旋轉(zhuǎn)了半圈，觀眾們最后看到的根本就不是鐵塔的方向。而材料學(xué)家沙拉耶夫既沒有玩把戲也沒有玩消失，他只是成功地讓光線拐了一個彎。

所謂“超材料”就是超出自然界固有的普通性質(zhì)，具有超常材料功能的人工復(fù)合材料。它們并不存在于自然界，而是完全由科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室研制出來。因此，科學(xué)家們盡可能根據(jù)需要賦予它們天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)，最終突破某些自然規(guī)律表現(xiàn)的限制。事實(shí)上，在自然界中確實(shí)存在著讓光反射異常的材料。例如天然蛋白石就因其具有不完全光子帶隙結(jié)構(gòu)而有著強(qiáng)烈的反光，并且向不同的角度發(fā)射出不同的顏色光彩。這種光子帶隙結(jié)構(gòu)在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛也存在，正是它們使本來無色的生物體由于結(jié)構(gòu)的發(fā)光而呈現(xiàn)出閃爍斑斕的色彩。

隱形和反隱形

隱形材料一直沒有被發(fā)現(xiàn)過，直到沙拉耶夫用人造原子、中繼原子等工程學(xué)方法制造出超材料。這種超材料具有在三維空間整齊布陣的微小粒子，而且它們的尺寸達(dá)到了納米級，在掃描探針顯微鏡觀察下呈現(xiàn)出有序的微觀結(jié)構(gòu)：“當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)的尺寸與光波的波長相當(dāng)時(shí)，就能夠表現(xiàn)出某些光學(xué)和電磁學(xué)上的特異性。而我的材料結(jié)構(gòu)比光波波長還小?！?/p>

事實(shí)上，普通的材料無論如何看似光滑，對于微粒子來說都好像雨點(diǎn)打在鳥巢體育場那樣大的粗糙核桃殼上一樣，總是會向各個角度產(chǎn)生反射。只有把結(jié)構(gòu)做到比光子還要小，才有可能做出足以讓光線如同激流經(jīng)過鵝卵石一般的流線體。沙拉耶夫正是這樣完成了他的隱身衣的材料。隨后，他依靠一排從中心點(diǎn)開始像一個圓形的梳子沿輪輻方向向外輻射的微型針，將光的折射和扭曲減少到幾乎為零，使得圍繞著隱身衣的光線發(fā)生彎曲，致使人們看不見斗篷。

2008 年10 月，沙拉耶夫在美國《科學(xué)》雜志上把隱身衣的秘密公諸于世，同時(shí)向人們宣布：“只有超材料才能織就隱身衣?！?然而他志得意滿之際似乎忽略了一個事實(shí)：當(dāng)隱身衣把他遮得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的時(shí)候，他也成為一只被縫在布袋里的小白鼠。別人看不見他，而他也什么都看不見。除非他挖兩個洞露出眼睛，但是兩顆懸在空中眨巴眨巴的大眼睛也足夠把觀眾們驚倒了?，F(xiàn)在，必須再給隱身衣設(shè)計(jì)一副配套的墨鏡，才能做到完全隱身。

如果說，讓人看不到墨鏡的里面就好比隱形技術(shù)；那么，讓戴墨鏡的人能清楚地看到外面則可以稱為反隱形技術(shù)。沙拉耶夫所沒有解決的反隱形技術(shù)其實(shí)早已開始被其他科學(xué)家關(guān)注。

2007 年11 月，上海交大的陳煥陽博士在美國《應(yīng)用物理快報(bào)》上公布了他對抗隱形技術(shù)的研究結(jié)構(gòu)。他和同事們設(shè)計(jì)出一種光學(xué)屬性與那些隱形斗篷完美匹配的材料：“用術(shù)語來說，就是一種各向異性負(fù)折射率材料，它的阻抗與隱形斗篷的正折射率相匹配。” 事實(shí)上，它的原理有點(diǎn)像是給手槍裝上消音器：用相同頻率的聲波的波峰來填補(bǔ)所發(fā)出的聲音的波谷，最終完全抵消空氣振動。其實(shí)，沙拉耶夫只要將這樣的反隱形材料貼在隱身衣上，就可以讓一些光線按照指定的路徑滲透進(jìn)來，從而部分抵消隱身衣的效應(yīng)。

陳煥陽和同事們研究的反隱形技術(shù)在隱身衣內(nèi)產(chǎn)生了破壞隱身性能的效果，這已經(jīng)初步解決了隱身衣內(nèi)外之間無法通訊的問題。事實(shí)上，陳煥陽也同時(shí)在進(jìn)行著隱形技術(shù)的研究，只不過不是為了做衣服。在他的設(shè)想中，可以利用隱形技術(shù)做出一道隱藏之門的設(shè)計(jì)：用隱形技術(shù)制作的材料置于大門的中間，就能讓門看上去像是和周圍的墻一樣；而在門內(nèi)的人則能夠通過反隱形技術(shù)觀察到外面的人的一舉一動。這項(xiàng)技術(shù)也許將被開發(fā)于軍事領(lǐng)域，難怪美國前駐華武官在美《防務(wù)新聞》網(wǎng)站上援引此例驚呼未來中國將對美國的隱形武器構(gòu)成巨大威脅。

隱形材料看到極微觀

用隱形技術(shù)制造武器也許是一件很可怕的事情，但是反隱形技術(shù)的起步則預(yù)示著對這種上古神話般超級武器的技術(shù)克制。但是回過頭來想一想，隱形技術(shù)在民用領(lǐng)域如果只能用來做隱身衣，那也實(shí)在大材小用。

隱形技術(shù)其實(shí)就是一種控制光線的技術(shù)，充分利用這種技術(shù)，可以制造出更細(xì)膩的光學(xué)儀器。事實(shí)上，現(xiàn)在的顯微鏡只能讓人看到單個的細(xì)胞，至于細(xì)胞里更小單位是如何運(yùn)轉(zhuǎn)則無法用肉眼觀察。這是因?yàn)楝F(xiàn)在用天然材料制成的光學(xué)透鏡折射率為正，面臨著物理上的衍射極限，也就是說不管什么光線的最小的聚焦點(diǎn)都必須大于該光線的半個波長。然而反隱形技術(shù)所依賴的負(fù)折射材料甚至可以改變光線的線路，它可以幫助我們突破極限。目前中國已經(jīng)利用負(fù)折射材料制造出衍射極限低于30 納米的透鏡，而一般的透鏡的衍射極限是200 到300 納米。這意味著我們可以依靠它觀察到活細(xì)胞的內(nèi)部，研究病毒究竟是以怎樣的機(jī)制侵入細(xì)胞內(nèi)部，或者觀測藥品將是如何作用于細(xì)胞，甚至還能透過光學(xué)儀器親眼目睹DNA 的分裂和復(fù)制。

這樣在納米級控制光的行動的技術(shù)也可以延伸做光刻技術(shù)，用來制造更小的集成電路器件。這將意味著人們可以制作出更小的芯片，而單位體積芯片的存儲能力、集成能力則會隨著體積的減小而加倍，芯片的容量將因此提高。

雖然，目前的技術(shù)能力尚不足以制作出精確控制光線的材料，而且能夠看到基因工作的顯微鏡也許要等到3~5 年之后才會面市，但是對于隱形技術(shù)和反隱形技術(shù)的研究競賽則必然會因?yàn)榫薮筌娛聝r(jià)值和經(jīng)濟(jì)利益而愈演愈烈。這不僅僅是做一件隱身衣那樣簡單的問題，神話中的齊格弗里德依靠隱身頭盔最終奪取了尼伯龍根的寶藏，這似乎也是在對現(xiàn)實(shí)世界的隱身技術(shù)作比喻。