超材料：顛覆式創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)

□文/ 馮 云 杭州市科技信息研究院

近年來，超材料技術(shù)憑借其優(yōu)異的產(chǎn)品特性以及革命性的發(fā)展前景，已成為全球最熱門、最受矚目的前沿高技術(shù)之一。

超材料的定義

“超材料（Metamaterial）”是指一些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，它可以突破傳統(tǒng)的材料設(shè)計思想，直接通過設(shè)計材料物理尺度上的有序結(jié)構(gòu)來獲得等效的表觀性能。這些性能往往是傳統(tǒng)材料望塵莫及的，如左手特性、逆Doppler 效應(yīng)、逆Snell效應(yīng)、逆Cherenkov效應(yīng)、完美透鏡效應(yīng)等。

超材料是跨學(xué)科研究，涉及到電氣工程、電磁學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、固態(tài)物理、微波和天線工程、光電子學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)和半導(dǎo)體工程等領(lǐng)域。與常規(guī)材料相比，超材料主要有3 個特征：具有新奇的人工結(jié)構(gòu)；具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；采用逆向設(shè)計思路，能“按需定制”。

典型的超材料有“左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水”等。其中，光子晶體、左手材料、隱身衣等超材料研究成果被美國《科學(xué)》雜志先后于2000 年、2003 年、2006 年選為年度10 項重大進展之一?！禡aterials Today》雜志在2008年將超材料評為材料科學(xué)50年中的10項重要突破之一。2010 年，《科學(xué)》雜志又將超材料列入本世紀(jì)前十年的10項重大突破之一。

超材料的若干種類

★仿生塑料

伊利諾伊大學(xué)的Scott White 研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當(dāng)出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫。

★熱電材料

一家名為Alphabet Energy 的公司開發(fā)出了一種熱電發(fā)電機，它可被直接插入普通發(fā)電機的排氣管，把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達到5%—10%的能效。科學(xué)家們已經(jīng)在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，是一種含鈷的礦物。熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用，比如在太空飛船上。方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。

★鈣鈦礦

除晶體硅外，鈣鈦礦也可用來制作太陽能電池。在2009 年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備3.8%的太陽能轉(zhuǎn)化率。到了2014 年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%。相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過20%的能效，科學(xué)家認(rèn)為鈣鈦礦的性能依然有提升的可能。鈣鈦礦是由特定晶體結(jié)構(gòu)組成的一種材料類別，它可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽能電池當(dāng)中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，也無需在無塵房間中精心組裝。

★氣凝膠

氣凝膠也稱空氣膠、固態(tài)煙霧或是藍煙，是一種納米級別的多孔超級隔熱材料，可由任意數(shù)量的物質(zhì)所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯，它的結(jié)構(gòu)賦予其超高的強韌性，是航天、軍工、石化、電力、冶金、建筑、服裝等眾多領(lǐng)域傳統(tǒng)保溫材料的革命性替代產(chǎn)品，稱之為“改變世界的神奇材料”，被列入國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。美國、德國、法國、日本等工業(yè)先進的國家均投入巨資進行研發(fā)。

氣凝膠國內(nèi)研發(fā)及產(chǎn)能主要集中在浙江大學(xué)、中南大學(xué)、同濟大學(xué)、國防科技大學(xué)、紹興納諾高科股份有限公司、廣東埃力生高新科技有限公司等。廣東埃力生公司氣凝膠材料在2016 年的產(chǎn)能就達到了2 億元，是國內(nèi)第一家、世界上第二家能規(guī)?；a(chǎn)氣凝膠材料的企業(yè)，填補了中國自主產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)氣凝膠材料的空白，打破中國氣凝膠材料被國際壟斷供應(yīng)的局面。

★Stanene

和石墨烯一樣，Stanene 是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，它具備了石墨烯所無法實現(xiàn)的特性：100%的導(dǎo)電率。2013 年，斯坦福大學(xué)張首晟教授首次進行了Stanene 理論化研究。根據(jù)他們對這類材料電子屬性預(yù)測的模型，Stanene 是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導(dǎo)體，而內(nèi)部是絕緣體，能在室溫下以零阻力導(dǎo)電。

★光操縱材料

光操縱超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)以特定的方式對光線進行散射，它或許可以讓物體“隱形”。根據(jù)制作方式和材料的不同，這種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。

超材料研究和應(yīng)用案例

目前超材料可以用在電磁、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域，應(yīng)用行業(yè)包括通信、醫(yī)療、航空航天、軍工、集成電路板（IC）等行業(yè)，未來還有很大的發(fā)展空間。

從電磁也就是微結(jié)構(gòu)的角度對超材料進行理解，再從電磁波進行推廣，可以衍生出編碼超材料、數(shù)字超材料和可編程超材料。

從航天工程實踐出發(fā)，主要是有序微結(jié)構(gòu)的研究，包括作為填充材料的光晶體、具有激光防護作用的智能熱控材料等。光晶體在紅外波段同時具有高反射率和高輻射率，可作為高超聲速飛行器的防熱材料。

超材料在通信、隱身領(lǐng)域也有很多重要的工程應(yīng)用，主要包括天線、隱身裝備等。

以陶瓷基為基礎(chǔ)的超材料目前也有了一定的研究進展，其發(fā)展方向主要是提高材料的強韌性，實現(xiàn)納米吸波界面的效應(yīng)，形成抗氧化、強韌、寬頻吸波型陶瓷基復(fù)合材料。

從宏觀角度來說，影響超材料領(lǐng)域發(fā)展主要有兩方面的技術(shù)——計算技術(shù)和微加工技術(shù)。計算技術(shù)是指從需求和用途出發(fā)，逆向把超材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算出來的過程；而微納加工技術(shù)則是把計算產(chǎn)物實體化的技術(shù)。

近年來，一系列具有超常性質(zhì)和奇異功能的新型超材料相繼問世。

★“隱身斗篷”

與傳統(tǒng)隱身技術(shù)相比，超材料隱身靠的是電磁波導(dǎo)引，而不是吸收電磁波，因此目標(biāo)沒有影子。超材料隱身是國防軍工領(lǐng)域的一項顛覆性技術(shù)，得到了各國的廣泛重視。目前，超材料隱身斗篷技術(shù)已開始在軍事裝備中獲得應(yīng)用。

★新型無源電子元器件

電磁介質(zhì)是無源電子元器件的材料基礎(chǔ)和技術(shù)核心。超材料可以用于研發(fā)具有負值、超低或超高介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的人工電磁介質(zhì)，為一些具有變革性的新型無源電子元器件的研發(fā)提供基礎(chǔ)。天線是超材料應(yīng)用得較為成功的一類器件。利用超材料超常的電磁性質(zhì)和高度可設(shè)計的特點，人們成功地研發(fā)出多種具有高性能、能滿足各種特殊要求的天線，實現(xiàn)了天線的小型化、高效化、高增益、共型化、高信號選擇性等特性。

★超材料減震技術(shù)

目前常用超材料能夠?qū)崿F(xiàn)減震降噪的方案很多，其中一個方案是利用與“隱身斗篷”類似的原理，將受保護的物體利用經(jīng)特殊設(shè)計的力學(xué)超材料包覆起來，使機械波繞開物體。這一方案被用于大型建筑及城市的地震防護。此外，利用具有負泊松比（受到拉力時發(fā)生側(cè)向膨脹）超材料和負剛度超材料的組合，科學(xué)家成功地研制出了能夠抑制不同頻率振動的新型防震結(jié)構(gòu)，可望應(yīng)用于運送早產(chǎn)兒等脆弱對象的車輛上。

值得關(guān)注的超材料顛覆性技術(shù)

★超材料透鏡

超材料透鏡在生物、材料、微電子、光學(xué)工程等領(lǐng)域都有迫切的應(yīng)用需求。它可以在自然環(huán)境中進行直接觀察病毒、細胞、DNA 分子或者各種材料的顯微結(jié)構(gòu)。同時，基于超材料的完美透鏡可實現(xiàn)亞波長尺度的光刻，將使微電子加工技術(shù)水平大幅度提高，從而進一步延續(xù)集成電路的摩爾定律。

★全光信息元器件

全光信息元器件可以利用介質(zhì)超材料中人工原子可承載多個諧振模態(tài)的特性，通過兩束電磁波導(dǎo)致的電磁諧振模態(tài)發(fā)生相互耦合，改變通過材料的信號波的傳播特性，實現(xiàn)全光調(diào)制。由于這種新機制無需通過非線性光學(xué)過程參與，所獲得的全光開關(guān)器件將具有低開關(guān)閾值和極高的開關(guān)速度，從根本上解決制約光開關(guān)技術(shù)的兩大核心難題，突破全光信息技術(shù)的瓶頸。

超材料發(fā)展前景

在各國的大力支持下，全球超材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢，產(chǎn)值規(guī)模從2014 年的5.4 億美元發(fā)展到2019 年的12.8 億美元，年均復(fù)合增長率約為18.8%，預(yù)計在2024年之前仍將保持高速增長態(tài)勢，復(fù)合增長率有望實現(xiàn)20%。另據(jù)麥姆斯咨詢發(fā)布的“超材料市場預(yù)測”報告認(rèn)為，到2030 年，超材料市場規(guī)模將飆升至約107億美元（如圖1）。

圖1 超材料市場預(yù)測

受益于早期的科研基礎(chǔ)和政府支持，美國是目前全球最大的超材料市場。此外，超材料在中國、巴西等新興經(jīng)濟體也有巨大的市場潛力。

麥姆斯咨詢預(yù)測，超材料的性能優(yōu)勢將在通信天線、雷達以及激光雷達等傳感器中證明其獨特價值，5G 無線網(wǎng)絡(luò)需求將在未來五年左右推動超材料市場的快速增長，之后隨著自動駕駛技術(shù)的成熟，超材料的應(yīng)用基礎(chǔ)將逐步擴大。

2021 年7 月，中國移動攜手東南大學(xué)電磁空間科學(xué)與技術(shù)研究院率先在5G線網(wǎng)完成智能超表面技術(shù)實驗。結(jié)果表明，智能超表面可根據(jù)用戶分布，靈活地調(diào)整無線環(huán)境中的信號波束，顯著改善現(xiàn)網(wǎng)弱覆蓋區(qū)域的信號強度、網(wǎng)絡(luò)容量和用戶速率，預(yù)示了信息超材料技術(shù)在未來無線通信中的廣泛應(yīng)用前景。

超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現(xiàn)因技術(shù)的進一步突破取得更多成果的領(lǐng)域。

國外超材料研究現(xiàn)狀

美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一；美國國防部先進研究項目局把超材料定義為“強力推進增長領(lǐng)域”；美國空軍科學(xué)研究辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”；美國最大的6 家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。歐盟組織了50 多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，至少支持兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項目，每個項目約為30 億日元（約合1.5億元），同時將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機的核心關(guān)鍵技術(shù)。

在超材料專利方面，美國超材料研究起步最早，1972 年，美國最先申請了頻率選擇表面超材料技術(shù)專利。目前，美國擁有超材料專利的研究機構(gòu)主要為麻省理工學(xué)院、惠普公司、加利福尼亞大學(xué)、康寧公司、SEARETE 公司、雷錫恩公司等。日本對于超材料的研究也較早，專利最早申請于1980 年。目前，日本超材料專利主要集中于三菱公司、佳能公司、富士公司、日立公司、理光株式會社、奧林巴斯、住友電子、尼康公司、DOKURITS 公司、索尼公司等。韓國自1993 年開始申請超材料技術(shù)專利，在2010 年達到頂峰，三星公司、LG 電子擁有著絕大部分超材料專利。

在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國家和機構(gòu)近年來啟動了多項研究計劃。如美國國防部高級研究計劃局國防科學(xué)辦公室實施的負折射率材料研究計劃；美國杜克大學(xué)開展的高增益天線超材料透鏡研究、可升級和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助計劃資助，對超材料技術(shù)進行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、通信天線、無人機載雷達等。

全球超材料主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，超材料在武器裝備隱身中的應(yīng)用最受關(guān)注。美國對超材料隱身技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展不但提供了政策上的支持，還與國內(nèi)民企、科研機構(gòu)等展開合作，甚至直接提供資金資助企業(yè)或者機構(gòu)的隱身超材料的研發(fā)活動，是目前世界上超材料隱身技術(shù)研究與發(fā)展應(yīng)用最大的國家。其次是日本以及歐洲地區(qū)，日本超材料隱身技術(shù)僅次于美國；歐洲地區(qū)則是以俄羅斯、英國和德國等軍事裝備技術(shù)發(fā)展較為先進的地區(qū)在超材料隱身技術(shù)方面具有較大的發(fā)展。

國內(nèi)超材料研究現(xiàn)狀

我國超材料技術(shù)研發(fā)起步較晚，但我國政府對超材料技術(shù)高度關(guān)注，分別在863 計劃、973 計劃、國家自然科學(xué)基金等科技計劃中予以立項支持。中國超材料產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅猛，由“實驗室研究”成功推進至“產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”，超材料廣泛應(yīng)用于多個尖端裝備領(lǐng)域。我國在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料以及聲波負折射等基礎(chǔ)研究方面，已取得原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機。同時，自2013 年以來，中國持續(xù)推進超材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作，目前已成行業(yè)規(guī)則制定者，在超材料知識產(chǎn)權(quán)以及超材料產(chǎn)業(yè)體系建立上領(lǐng)先其他國家。2014 年，中國科學(xué)院院士、東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室主任崔鐵軍團隊在國際上率先提出數(shù)字超材料的概念，并展示了第一塊現(xiàn)場可編程超材料，借助FPGA輸出序列調(diào)整超表面單元內(nèi)部二極管開關(guān)的通斷，在物理空間中實現(xiàn)了對電磁波的直接調(diào)控，開創(chuàng)了數(shù)字可編程超材料研究的先河，并在國際上引發(fā)大量關(guān)注。這種超材料被命名為“信息超材料”，并以其靈活性、低成本和高效率，成為當(dāng)前6G研究的熱點。

近年來中國在基礎(chǔ)研究、材料研究、技術(shù)應(yīng)用等方面均處于國際市場領(lǐng)先地位，專利申請數(shù)量始終保持增長趨勢，截至2019年底已經(jīng)接近3000件，在國際市場上具有較強的話語權(quán)。從專利方面來看，我國的超材料研究企業(yè)呈現(xiàn)出一家獨大的局面?！吧钲诠鈫ⅰ背牧霞夹g(shù)與產(chǎn)品實力雄厚，而其他企業(yè)的超材料技術(shù)處于初創(chuàng)時期（如表1）。此外，我國的研究機構(gòu)專利數(shù)量總體多于企業(yè)，有一定的科技成果轉(zhuǎn)化潛力。

表1 截至2018年底中國超材料相關(guān)技術(shù)專利申請人TOP10（單位：件，%）

深圳光啟研究院是一家以超材料技術(shù)賦能行業(yè)為內(nèi)核的企業(yè)，在國際上率先推進了超材料產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)出超材料平板式衛(wèi)星天線，在22 個省市進行了測試，并在北京、天津等地得到了實際應(yīng)用。2011 年，深圳光啟高等理工研究院揭牌成立了“超材料技術(shù)生物醫(yī)療應(yīng)用工程實驗室”，對超材料在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用展開探索。以超材料技術(shù)為基礎(chǔ)，目前光啟集團尖端裝備業(yè)務(wù)已形成超材料功能結(jié)構(gòu)件、超材料電磁罩、超材料天線及優(yōu)化組件3 大產(chǎn)品體系，相關(guān)產(chǎn)品已在我國多型軍用飛機、海軍裝備、導(dǎo)彈、反隱身雷達系統(tǒng)等核心高端裝備上逐步得到應(yīng)用。光啟超材料還針對5G 通信行業(yè)推出人工智能覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并與華為、中國移動、中國聯(lián)通、中國電信等伙伴密切合作；針對公共安防領(lǐng)域的行業(yè)訴求，推出了光啟人工智能警用頭盔，賦能城市管理和公共安保升級；還研發(fā)出突破了國外禁運封鎖的高性能電磁材料“白起”系列。

浙江大學(xué)在光波和超低頻超材料領(lǐng)域取得了一系列有影響的成果，研發(fā)出了基于慢波設(shè)計的超薄、寬吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隱身、磁共振成像和靜磁場增強方面的應(yīng)用。

東南大學(xué)研究了均勻和非均勻超材料對電磁波的調(diào)控作用，提出了電磁黑洞和新型超材料隱身器件，研發(fā)出了雷達幻覺器件、遠場超分辨率成像透鏡、新型天線罩、極化轉(zhuǎn)換器等新型超材料器件。

清華大學(xué)研究介質(zhì)基和本征型超材料，提出了通過超材料與自然材料融合構(gòu)造新型功能材料思想，研發(fā)出了基于鐵磁共振、極性晶格共振、稀土離子電磁偶極躍遷以及Mie諧振的超常電磁介質(zhì)超材料?！?/p>