超材料：真的能讓你來無影去無蹤嗎

文｜于相龍

關(guān)于隱身，古今中外都有許多傳說，比如中國民間故事里的遁術(shù)，比如西方魔法故事里的隱身斗篷。那么，所謂的隱身真的存在嗎？當(dāng)今的前沿新材料帶來了一些答案。

隨著科技的發(fā)展，人們對隱身的研究逐漸深入，正在朝著“四項(xiàng)全能”——讓你看不見、摸不著、感覺不到呼吸、感受不到溫度的方向發(fā)展。這種由新材料帶來的神奇的超級(jí)隱身能力，會(huì)讓人質(zhì)疑“我存在還是不存在”。

實(shí)現(xiàn)這4種隱身功能，靠的是一類21世紀(jì)才出現(xiàn)的前沿新材料——超材料(Metamaterial)。什么是超材料？這來自超材料的英文metamaterial 中的拉丁語詞根“meta-”，表示“超出、另類”等含義。2006年，世界上第一次出現(xiàn)了metamaterial這個(gè)單詞，2008年，有了“超材料”這個(gè)中文詞匯。

超材料具備天然材料不具備的特殊性質(zhì)，這些超常的特殊性質(zhì)主要來自人工設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)。因此，超材料是一類具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合型功能材料。其實(shí)，超材料的物質(zhì)成分并不特殊，它們的超常特性源于其精密的人工設(shè)計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小——如果這些微結(jié)構(gòu)的尺度小于作用于它的波長，就可以對電磁波產(chǎn)生特定的響應(yīng)，從而產(chǎn)生諸如負(fù)折射、隱身等效果。

以往，人類的創(chuàng)新是根據(jù)自然界有什么材料，就制作什么樣的產(chǎn)品，如今，超材料完全使用逆向思維，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，制造具備特定性能的材料，真正做到“按需定制”。

下面就讓我們來認(rèn)識(shí)一下這4種典型的超材料，即光學(xué)超材料、力學(xué)超材料、聲學(xué)超材料和熱學(xué)超材料，以及它們實(shí)現(xiàn)的隱身功能吧。

看不見——光學(xué)隱身

光學(xué)隱身涉及初中物理知識(shí)光的折射。

當(dāng)一束光通過不同介質(zhì)界面時(shí)就會(huì)發(fā)生折射。比如在一只裝了一半透明液體的透明玻璃杯中斜放入一支筷子，當(dāng)折射率等于1.3時(shí)，折射光會(huì)沿著筷子的方向向內(nèi)靠攏，筷子在液體中的部分看上去就像向內(nèi)折斷了一樣；當(dāng)折射率等于1時(shí)，光通過空氣與通過液體一樣，沒有變化，筷子在液體平面以上和以下都保持在一條直線上；當(dāng)折射率等于-1.3時(shí)，這種現(xiàn)象在生活中是難得一見的，筷子被液體平面截成了兩半，液體中的那一半甚至看上去是從相反方向斜放進(jìn)來的，而且筷子還發(fā)生了彎曲。

可見，不同的折射率足以改變我們看到的事實(shí)。那么，這樣操縱光的折射跟隱身有關(guān)系嗎？回答是肯定的。第一項(xiàng)隱身超能力“看不見”，就是操縱光線。

古代所謂的遁術(shù)，是用亮閃閃的金屬反射光線快速晃人的眼睛，讓人眼看不見光。如果我們能用特殊的技術(shù)，讓光發(fā)生不同方向的折射，是不是就可以任意操縱光線，隨心所欲地拿捏各個(gè)維度空間了呢？

我們可見的這些光，其實(shí)就是一類電磁波。科學(xué)家操縱光，就是操縱電磁波。電影里哈利·波特的隱身斗篷，其實(shí)就是操縱光線，讓光線“繞行”，不再沿著直線傳播，這樣就看不見站在斗篷中的人了。科學(xué)家為了制造這個(gè)隱身斗篷，開始像拼積木似的，將經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的不同的人工結(jié)構(gòu)搭建在一起，得到了一種新的超材料。

這種操縱光線的超材料，被稱為光學(xué)超材料，穿上這種材料制作的隱身衣，別人就看不見你了。不過遺憾的是，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上說的隱身衣，其實(shí)都不是真的。真正的可見光波段的隱身衣科學(xué)家還沒有制造出來呢，或者已經(jīng)制造出來了，但還處在保密階段。

觸摸不到——力學(xué)隱身

說實(shí)在的，看不見的光學(xué)隱身都快研究了20年了，科學(xué)家天天擺弄電磁波，卻還沒有制造出隱身衣，真是讓人氣餒。后來科學(xué)家只好想別的辦法，開始操縱彈性波。

來看看初中物理講的力是怎么傳遞的。我們小時(shí)候都玩過這樣的小把戲，把一張紙折疊幾次，它的承重能力就變強(qiáng)了。正是這種折疊的結(jié)構(gòu)讓柔軟的紙張變得強(qiáng)壯。這其實(shí)就是在無意中借鑒了超材料的設(shè)計(jì)理念。想想看，當(dāng)重力壓在柔軟的經(jīng)過折疊的紙上，力都跑到哪里去了呢？

科學(xué)家做完游戲，突發(fā)靈感，于是用各種不同材料、不同結(jié)構(gòu)和不同外形的微小物體塊搭建在一起，得到了更多樣化的、讓你觸摸不到的力學(xué)超材料。目前，觸感隱身是最常見的力學(xué)超材料的一類應(yīng)用。力學(xué)超材料能夠?qū)⒛繕?biāo)物體“隱藏”起來，讓我們的觸摸無法感知到它的存在。

力學(xué)超材料的研究剛剛開始，就出現(xiàn)了很多種類似無觸感的隱身技術(shù)，比如負(fù)泊松比、負(fù)彈性、負(fù)剛度、負(fù)可壓縮性等超常力學(xué)性能。這些科技名詞可能到大學(xué)的課程里才會(huì)學(xué)到。打個(gè)比方，好比我們拔河時(shí)常感覺繩子就要被拉細(xì)拉斷了，可是如果這根繩子是力學(xué)超材料制成的，我們越用力拉，繩子可能反而越粗。再比如，當(dāng)我們使勁踹泥土地時(shí)，一般會(huì)踹出一個(gè)坑，但如果這泥土是力學(xué)超材料的，我們越用力踹，材料就可能越膨脹。如果用力學(xué)超材料做個(gè)足球，就不用打氣了，因?yàn)樵教咦闱?，里面的氣反而越多。按這個(gè)思路腦洞大開地想下去，你就會(huì)知道，力學(xué)超材料可應(yīng)用的領(lǐng)域絕不只是無觸感隱身。

感覺不到氣息——聲學(xué)隱身

還有一種情況，如果我們真的隱身了，人們看不見、觸摸不到，可若是我們打了個(gè)噴嚏，或是大喘氣一下，肯定又會(huì)被發(fā)現(xiàn)了。于是，怎么讓呼吸的氣息也消失，讓人感覺不到呢？

想想看，當(dāng)我們開口說話和呼吸時(shí)，是不是與聲帶有關(guān)？那就讓科學(xué)家試著操縱聲波，也就是彈性波吧。這種操縱聲波的超材料就是聲學(xué)超材料，也是用各種各樣不同材料、不同結(jié)構(gòu)和不同外形的微小物體塊搭建在一起得到的。如果用這種聲學(xué)超材料制成傳感器，聲波會(huì)在傳感器處消失，經(jīng)過聲學(xué)超材料后，再大的聲音人們也聽不見。所以當(dāng)你戴上用這種聲學(xué)超材料做的口罩，你呼吸、打噴嚏或大喊大叫時(shí)，沒人會(huì)聽得見。只是，聲學(xué)超材料的研究也是從最近幾年才開始的，科學(xué)家還在通過實(shí)驗(yàn)來模擬和驗(yàn)證這種聲學(xué)超材料口罩的功能。

感覺不到溫度——熱學(xué)隱身

有了前面3種超材料，我們已經(jīng)接近完美隱身了，人們看不見、觸摸不到，也聽不到呼吸，可我們的身體還在向空氣輻射熱量，如果用檢測溫度的紅外儀器一照，還是會(huì)原形畢露。怎么辦？于是科學(xué)家開始研究熱學(xué)隱身，讓人體的溫度也不存在。

大家都知道，熱流是從高溫向低溫流動(dòng)的。比如手握一塊冰，手上的熱量就會(huì)傳導(dǎo)給冰，于是冰就融化了。如果手握一塊冰而不讓冰融化，該怎么辦呢？有人說戴上厚厚的手套就可以了。是的，手套擋住了熱流向外擴(kuò)散。如果有這樣一種熱學(xué)超材料，能夠阻擋人體散發(fā)出的高溫?zé)崃?，那紅外儀器就檢測不到人體的熱量了。

還有一種情況，就是讓熱流反轉(zhuǎn)，使其不像往常那樣從高溫流向低溫，而是從低溫流向高溫。也就是說，如果戴上這種熱學(xué)超材料編織的手套握著冰，手也會(huì)變成冰，而冰并不會(huì)融化。如此一來，穿上這種熱學(xué)超材料的衣服，紅外儀器也是無法檢測到我們存在的。

如今，世界上的研究機(jī)構(gòu)、院校、尖端裝備企業(yè)等，都開始針對超材料技術(shù)進(jìn)行各個(gè)領(lǐng)域的研究。超材料技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大型無人機(jī)、海洋航空裝備等尖端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與交付。在如今人類的尖端裝備領(lǐng)域，超材料已經(jīng)成為主流技術(shù)之一。

本文內(nèi)容摘編自《走近前沿新材料（1）》一書，韓雅芳、潘復(fù)生主編，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2019年6月