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更新时间:2015-6-17    浏览次数:1987

中国亚波长功能结构获突破领跑全球 助力国产隐形机研发
原标题:“暗战”亚波长功能结构,中国如何胜出?
来源:人民日报海外版

         也许风靡一时的动画片《超能陆战队》中主人公发明的微型机器人及其聚集体曾让您大呼神奇,也许您曾对小说《哈利o波特》中那件隐身斗篷印象深刻,也许您也对自然界的伪装大师乌贼和变色龙能够瞬间变色的皮肤而匪夷所思……

    事实上,借助一种被称为“亚波长功能结构”的东西,全球的材料学家和物理科学家们正在将上述听起来十分“科幻”的东西变为现实:“隐形”飞机、笔记本大小的卫星天线、能感应地形的智能鞋子、能复原的弹性陶瓷、可减轻地震或海啸影响的防护墙壁等等。
这种亚波长功能结构的新奇之处在于,通过复杂的人工手段对物质原子、分子施加影响来改变材料的力学性质,让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲。这种亚波长功能结构被科学家誉为“由材料组成的‘材料’”。
        上月,《电磁亚波长功能结构术语》向国家标准管理委员会报批,标志着我国在亚波长功能结构领域即将拥有国家标准。目前,全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大,对于处在亚波长功能结构应用领先地位的中国企业来说,步子更快一些,胆子再大一点,力争在未来一些战略新兴产业及人工智能革命领域引领世界潮流。因为有一点毋庸置疑:未来的世界,将由亚波长功能结构来建造。
         一、“弯曲光、改变波”
   亚波长功能结构性能神奇
   材料,人类社会各大产业发展的根基。随着工业化进程不断深入,传统高性能材料对稀缺资源的依赖程度越来越高,而科学家们在自然界寻找具有超物理特性的天然材料的尝试却收效甚微。在这种情况下,科学家意识到,要想获得那些超越常规材料性能极限的新型功能性材料,必须另起炉灶。
  2000年,美国加州大学圣地亚哥分校的物理学家戴维o史密斯和他的同事做的一个新奇实验,让全球的材料科学家们对物质世界的看法发生了一些改变。试验中,一种运用微波技术的材料成功地把一个直径5厘米的铜制小圆筒隐藏起来,虽然这一隐形范围只相当于一粒豌豆。
   这一实验让文学描写中不断出现、而根据传统光学定律根本不可能实现的“隐身衣”有了问世的可能,也宣告了亚波长功能结构学的诞生。
   那么问题来了——究竟什么是亚波长功能结构?
   亚波长功能结构,英文称为Metamaterial,其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。一般文献中给出的亚波长功能结构定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。”
  首先让我们从中学物理课上老师都会演示的一个现象说起:当一束光从空气斜射入水中,会产生入射光和折射光,它们居于法线的两侧。因为这种反射现象,我们能够看到大自然中的许多物体。那么,是否存在这样一种介质,当光入射其表面时,入射光与折射光位居法线同侧呢?
  其实早在1968年时,前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)便提出了这个疑问,并在理论上预测了上述“反常”现象。只是由于没有实验验证,加之当时处于功能材料发展初期,人们对菲斯拉格的发现并未予以足够重视。
  根据广义相对论,时间和空间都是可以“弯曲”的,而空间里的光线同样可以弯曲,前提是设计并制作出足够小的“设备”。近年来,科学家沿着菲斯拉格的理论,依靠一些间隔仅有1毫米的几千分之一的人工结构,将材料的单元结构(人工原子和人工分子)集合,通过不同的结合结构和排列设计制造出各种亚波长功能结构,实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。
  如今,亚波长功能结构龙8官网 long8正在发酵。美国《科学》杂志将其列入本世纪前10年的10项重要科学进展之一,引发了诸如新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微细加工技术等领域的重大变革。
       二、群雄竞逐 你追我赶
  国际竞争日益激烈
  这场变革已经到来。发达国家的政府、学术界、产业界对亚波长功能结构技术的研发给予高度重视,制定了相关计划,投入了大量人力和物力。
  例如,美国国防部专门启动了关于亚波长功能结构的龙8官网 long8计划,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龙8官网 long8。美国国防部更是将其列为“六大颠覆性基础龙8官网 long8领域”之一。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龙8官网 long8,并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项龙8官网 long8计划,支持至少两个关于亚波长功能结构技术的龙8官网 long8项目,每个项目约为30亿日元。
  在各国科学家的实验室中,很多新奇的发明已经出现。
  美国的科学家制造出一种反弹陶瓷管,相比传统脆而硬的陶瓷,这种反弹陶瓷管在被压缩50%后还能复原。这种陶瓷将在“普通物质无能为力的地方大显身手”,如航天飞机或者喷气式发动机的隔热设备。
  在德国,科学家已经使用一种叫作“径直激光平版刻录”技术制成由微型塑料棒构成的隐形材料片。将上述隐形材料片覆盖在物体上,在红外照相仪观测下,隐形材料改变了覆盖物周围光线的速度,从而使覆盖物和被覆盖物一同消失。而包括美国国防高级龙8官网 long8计划署在内的军方机构,寻求的正是这种隐藏技术,以便让飞机在军事雷达探测范围内隐身。
  法国科学家则发现了通过亚波长功能结构墙壁和地面精确打孔来转移地震波,让地震和海啸偏离建筑物或城镇,以达到减灾的目的。
  荷兰的的科学家则制造出在力学上可编程的智能橡胶。通过小型开关的控制和特殊的设计,这种智能橡胶可以像一块超大海绵一样变硬或者变软,甚至在挤压下可以在这两个阶段进行快速转变。借助这种材料,人们不久或将可以穿上能通过感应地面软硬度而自动调节的鞋子。
  目前,基于这些实验成果展开的产品转化步伐也在加快。像亚波长功能结构智能蒙皮、亚波长功能结构雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、亚波长功能结构通信天线、无人机雷达、声学隐身技术等产品研发和利用,已经成为各国竞争的焦点。
       三、合力攻关 注重应用
  我国领跑有优势
  相比于不少国家相对分散的发展模式,我国在亚波长功能结构领域的发展模式则更加聚焦和有力。我国已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对亚波长功能结构龙8官网 long8予以立项支持。在电磁黑洞、亚波长功能结构隐身技术介质基亚波长功能结构以及声波负折射等基础龙8官网 long8方面,我国企业取得了多项原创性成果,并在世界亚波长功能结构产业化竞争中占到先机。
  曾在美国留学并在《科学》杂志发表关于新型亚波长功能结构宽频带隐身衣论文的刘若鹏无疑是其中代表。2010年,以刘若鹏博士为首的5位留学生团队回国创办了深圳光启。经过几年发展,该公司已在世界范围内申请超过2800件专利,约占相关领域专利申请总量的86%,该公司还在创建基于亚波长功能结构的智慧社区、无线互联、航空航天等领域的产业化方面走在世界前列,如其全球首条亚波长功能结构微结构精试线,设备定制化程度高达70%,可实现高达2微米的工艺精度。他们还设计了亚波长功能结构生产标准化流程。
  以其设计的电磁亚波长功能结构天线为例,运用一块可折叠为笔记本大小、印着“江南水乡风景画”的电路板,飞机、火车、轮船、汽车就能在移动网络鞭长莫及的偏远地方连接卫星宽带上网。不管卫星在天空中的哪个地方,该天线都能追踪到,不必像传统的碟形天线一样总朝一个方向盯着一颗卫星。
  美国类似产品的商业销售计划今年才开始,而光启早在3年前便在我国22个省份进行了安装试用。而这,仅仅是中美之间近年来在亚波长功能结构核心领域展开的激烈竞争之一。
  另一方面,我国在亚波长功能结构的微结构加工方面也取得了长足进步。去年,中南大学教授黄小忠的团队利用3D打印机,通过对材料进行编码,获得了一块边长18厘米、包括10万个物理单元的具有隐身性能的亚波长功能结构,这样可以实现我国未来太空隐形飞行器的零部件的快速打印和更换。
  此外,为了打破欧美对亚波长功能结构技术标准的垄断,上月,全国电磁亚波长功能结构技术及制品标准化技术委员会审查和报批了国家标准《电磁亚波长功能结构术语》。这意味着,我国在全球率先制定出亚波长功能结构领域的国家标准,将对我国在亚波长功能结构技术的龙8官网 long8和标准转化起到重要作用。
  有调研公司预测,亚波长功能结构全球市场规模在2010—2020年间将以高达41%的年复合增长率发展。可以预计,随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大,一个可带动诸如高速列车、新型地面行进装备、航空航天、国防科技、地面智能机器人等领域的千亿规模的亚波长功能结构产业集群正在崛起。
  利用驾驭电磁波的亚波长功能结构技术来建造未来世界,正在成为全球科技创新的又一焦点。应当说,我们在这方面拥有明显优势,完全有条件成为这场创新革命的领跑者。
专家视点——
  “亚波长功能结构”这一概念已经慢慢渗入多个领域。这一技术最初在电磁学领域引发轰动,接着长驱直入,进入包括热力学在内的多个领域,最近又开始在力学领域掀起狂澜。
  ——德国卡尔斯鲁厄理工学院马丁o魏格纳教授
  亚波长功能结构对航空航天、国防、民用科学技术的促进表明,新材料将会成为科学龙8官网 long8中一个很重要的切入点和方向,将会对众多领域带来冲击和影响,并产生新的产业,这个意义极为深远。
  ——中国工程院院士段宝岩
  亚波长功能结构的设计思想和方法很有可能成为发掘材料新功能、引领产业新方向,提高材料综合性能、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。应进一步明确在国家层面大力发展亚波长功能结构技术的必要性,凝练发展重点,选择合理技术路线,制定符合亚波长功能结构技术发展趋势、与我国国情相适应的亚波长功能结构技术发展战略。
  ——中国钢研科技集团有限公司副总工程师周少雄




这6种超级材料有能力改变整个世界
来源:Gizmodo
 
        说起业界所谓的“超级材料”,相信不少人首先想到的会是蓝宝石。没错,这种硬度超高的材料因为苹果的青睐而备受关注。但除了蓝宝石之外,科学家们已经在实验室中研发出了不少意义重大的超级材料,本文就将对其中的6种进行介绍。
自我修复材料——仿生塑料
 
        人体具备非常强大的自我修复能力,但建筑环境却并不具备这种能力。去年,伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”,当出现破损时,液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料,这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。
热电材料——热量清道夫
 
        对于任何一部会使用能源的设备来说,废热的产生都是不可避免的。根据估算,人类所使用的所有能源当中有2/3都以废热的形式流失了。可要是有办法能够捕捉到这些被浪费的能量呢?
        去年,一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热点发电机,它可被直接插入普通发电机的排气管,从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料,名为黝铜矿,据称可达到5-10%的能效。
在实验室当中,科学家们已经在龙8官网 long8另一种具备可发展前景,甚至能效更高的热电材料,名为方钴矿,一种含钴的矿物。热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点,可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管。
   钙钛矿——廉价太阳能电池
 
         成本是可再生能源发展中的最大障碍。太阳能正在变得更加便宜,但使用晶体硅制作太阳能电池的成本和能源消耗依然非常高。可除了晶体硅之外,还有一种可用来制作太阳能电池的替代材料,那就是钙钛矿。
钙钛矿被发现距今已经有超过100年的时间了,但科学家直到现在才开始意识到这种材料的潜力。在2009年,使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了            2014年,这一数字已经提升到了19.3%。相比传统晶体硅电池超过20%的能效,这或许算不了什么,但这里还有其他两个关键点需要考虑:首先,钙钛矿的能效仅在几年的时间里就得到了大幅的提升,且科学家认为,这种材料未来依然有提升的可能;其二,钙钛矿的成本要低得多。
钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别,它们可以包含任意数量的元素,用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅,这些原材料要便宜得多,且能被喷涂在玻璃上,无需在清洁的房间当中精心组装。
气凝胶——超轻、超强韧
 
         气凝胶看上去似乎是一种不真实的材料。尽管看上去空虚飘渺,但它却能轻松承受一盏喷灯的热量,或是一辆汽车的重量。如名所示,这是一种液体被空气完全替换的胶体,这也就是为什么它看上去就像是一团烟。气凝胶可由任意数量的物质所制成,包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。由于空气占了绝大部分比重,气凝胶还是一种绝佳的绝缘体。它的结构也赋予其超高的强韧性。
不过气凝胶也有一个致命的缺陷:脆性,特别是原材料为二氧化硅时。但NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶,作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料。将其他化合物加入到二氧化硅气凝胶可增强其柔韧性,再加上本身的轻巧、强韧和绝缘性,这将会使其成为一种不可思议的材料。
         亚波长功能结构——光操纵器
         如果你听说过亚波长功能结构(Metamaterial),那介绍它的材料当中应该还提到了“哈利波特”和“隐形斗篷”。是的,亚波长功能结构的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射,在未来,它或许真的可以让物体隐形。
更有意思的是,亚波长功能结构不光能对可见光进行重新导向。根据制作方式和材料的不同,亚波长功能结构还能散射微波、无线电波、和不太为人所知的T射线。实际上,任何一种电磁频谱都能被亚波长功能结构所控制。
         比如说,如果用亚波长功能结构制作一部新型的T射线扫描仪,它的性能可随时改变,无论是被用在医疗还是安全领域。
Stanene——导电率100%的材料
 
          和石墨烯一样,Stanene也是一种由单原子层所制作的材料。但由于使用了锡原子而非碳原子,这使其具备了石墨烯所无法实现的特性:100%的导电率。
Stanene在2013年由斯坦福大学张首晟教授首次进行了理论化。预测Stanene这类材料的电子属性是张教授的实验室所擅长的领域之一,根据他们的模型,Stanene是一种拓扑绝           缘体,也就是说,它的边缘是导体,而内部是绝缘体。这样一来,Stanene就能在室温下以零阻力导电。
Stanene的属性尚未经过实验测试——毕竟制作单层锡原子并不是件易事——但张教授对于其他一些拓扑绝缘体的多项预测都被证明是正确的。
         如果对于Stanene的预测也被证实,那它有可能对所有电子设备内部的微芯片产生革命性影响。也就是说,芯片的性能将会被大大增强。由于电子所产生的热量,硅芯片的性能是有所限制的——如果运转速度过快,发热也会过高——而拥有100%导电率的Stanene却不会有这样的问题。


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