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改变未来作战的超材料

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超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计,突破某些表观自然规律的限制,获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域,将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

新型材料颠覆传统理论

尽管超材料的概念出现在2000年前后,但其源头可以追溯到更早。1967年,苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出,如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率,电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”,而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界,使光波看起来如同倒流一般,并且在许多方面表现出有违常理的行为,例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出,就被科学界认为是“天方夜谭”。

随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露,显著提高材料综合性能的难度越来越大,材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高,发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路,成为新材料研发的重要任务。2000年,首个关于负折射率材料的报告问世;2001年,美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料;2002年,美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性;2003年,由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果,被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后,超材料研究在世界范围内取得了多项成果,维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

现有的超材料主要包括:负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比,超材料主要有3个特征:一是具有新奇人工结构;二是具有超常规的物理性质;三是采用逆向设计思路,能“按需定制”。

负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性,电磁波在该介质中传播时,电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则,因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力,这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。

光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构,是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构,可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性,被认为是未来的半导体,对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。

“电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞,能够全向捕捉电磁波,引导电磁波螺旋式行进,直至被黑洞吸收,使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现,不仅将为太阳能利用技术增加新的途径,产生全新的光热太阳能电池,还能应用于红外热成像技术,大幅度提高红外信号探测能力。

频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构,由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输,已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中,也可用于反射面天线的负反射器,以实现频率复用 ,提高天线的利用率。

巨大价值引发全球关注

超材料研究的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出的革命性应用前景,使其得到了美国、欧洲、俄罗斯、日本等国政府,以及波音、雷神等机构的强力关注,现在已是国际上最热门、最受瞩目的前沿高技术之一。2010年,美国《科学》杂志将超材料列为21世纪前10年自然科学领域的10项重大突破之一。当前,国外的研究领域己涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。

美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划;美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”;美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域顶尖的科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划,至少支持两个关于超材料技术的研究项目,每个项目约为30亿日元(约合1.5亿人民币),同时将超材料列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。

在多个项目的支持下,超材料技术取得了一系列新进展。例如,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室与加利福尼亚大学合作完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究探索;美国加利福尼亚大学完成了利用负折射率材料精确控制光线速度和方向的研究;美国普渡大学和诺福克州立大学合作完成了负折射率材料对光线吸收的研究;2013年以来,美国陆军和普渡大学研究了在特定的电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料;美国劳伦斯·伯克利国家实验室的研究团队制造出了全球首个非线性零折射率超材料,通过这种材料的光在各个方向都会得到增强;2014年,法国国家科学研究中心和法国波尔高等化学物理学院的研究人员通过结合物理化学组成和微流体技术,研发出了第一个三维超材料。

在超材料应用方面,有关国家和机构近年来启动了多项研究计划。如DARPA实施的负折射率材料研究计划;美国杜克大学开展的高增益天线超材料透镜研究,以及可升级和可重构的超材料研究等。此外,还有近百家美国企业获得小企业创新计划和企业技术转移资助计划资助,对超材料技术进行了大量研究和产品转化。目前,超材料领域已初步形成的产品包括超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。

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