超材料.doc

狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。

看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景

电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。

通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。

电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔

A股超材料主题相关上市公司主要包括:国民技术(300077)、龙生股份(002625)、鹏博士(600804)和鹏欣资源(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。

超材料

“Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial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”。

迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。

1原理

超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。

2特征

metamaterial重要的三个重要特征：

（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

3功能

具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。然而，2006年，北卡罗来纳州的杜克大学（Duke University）和伦敦帝国理工学院（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。

4制造研究

超材料获得

不同波长的光线被特殊波导捕获形成彩虹

从metamaterial的定义中可以看出，超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。因此，早期的“超材料”研究与材料科学无缘。无论是左手材料还是光子晶体，最早开展研究的都是物理学家，而此后由于可能的应用，一些电子科学家进入了这一领域。

事实上，要获得理想的“超材料”，“材料”的选择是至关重要的。对于光子晶体材料，人们在实验上长期追求的目标是实现光频段的完全光子带隙。科学家选择了银作为介电背景，银在可见光范围的折射率在0.2-0.4左右，且有很好的透光性。利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体，结果获得了具有接近完全带隙的光子晶体。利用材料科学的原理，把各种功能材料引入“超材料”系统，有可能获得具有新功能的超材料或器件。

生产制造

不同波长的光线能够被特殊波导的不同位置捕获，形成彩虹

美国与中国科学家利用已广为光学工业界接受的斜角沉积(oblique angle deposition, OAD)技术为基础，发展出一项可以大规模生产光学超材料(metamaterial)的技术。该小组以伯这种技术在硅基板上制作银纳米柱(nanorod)构成的薄膜，该薄膜能以特殊的方式操控光，在光电产业上具有广泛的应用。

超材料引起了不少研究兴趣，主要是因为它具有制作斗蓬(invisible cloak)及超级透镜(superlens)的潜力。然而，截至目前制作出来的超材料只能在有限的频率范围内工作，而且很难大量生产。为克服这个问题，台北科技大学的任贻均(Yi-Jun Jen)等人采用了斜角沉积法来制作超材料。

斜角沉积法顾名思义是在真空中以倾斜角度将薄膜材料沉积在基板上。任贻均等人先以电子轰击银块材使其气化，然后让银蒸气沉积在2英寸厚的硅基板上，通过调整基板的倾斜角度，让银在自我遮蔽效应(self-shadowing effect)作用下，优先朝蒸气注入的方向生长成纳米柱。

长成的银薄膜厚240 nm，银纳米柱长650 nm、宽80 nm，并与基板法线夹66度角。研究人员以波长介于300至850 nm的光照射样品以测量其光学特性，结果发现在波长介于532至690 nm间会产生负折射，而理论上该系统在可见光波段(380-750 nm)都会产生负折射。

宾州州立大学的Akhlesh Lakhtakia表示，虽然其它团队也曾制作这类薄膜，但从未有人采用双轴介电-磁性材料(biaxial cielectric-magnetic material)。他指出，由于斜角沉积法是一种平面技术，它应该能轻易地与微电子制程整合。该团队接下来将研究薄膜形貌的影响，并开始研发层状结构以降低能量的衰减。 [1] 

5应用研究

零折射率超材料

一个国际科研团队研制出了一种新的光纳米结构，使科学家能操纵光的折射率并且完全控制光在空气中的传播。最新研究证明，光（电磁波）能通过人造媒介，从A点无任何相变地传播到B点，好像该传播媒介完全在空气中消失一样。这是科学家首次在芯片规模和红外线波长上实现同相传递和零折射率[2] 。

该研究由美国哥伦比亚大学机械工程系副教授王琪薇（音译）和电子工程系博士候选人瑟尔达·可卡曼领导，他们同英国伦敦大学学院、美国能源部布鲁克海文国家实验室以及新加坡微电子研究所的科学家携手完成了这项研究。

科学家们将正折射率和负折射率结合在一起，实现了对光子相位的精确控制。自然界中所有已知材料的折射率均为正。科学家们通过对这些人造亚波长的纳米结构进行蚀刻，实现了对光传播的控制，使该媒介中出现了一个负折射率。科学家们接着将该折射率为负的媒介同一个折射率为正的媒介串联在一起，使得最终得到的纳米结构表现得好似其折射率为零。

最新研究甚至也为我们提供了一种潜在的方法，让我们能包裹或隐藏物体。

超材料可吸收所有光线

来自美国波士顿学院和杜克大学的科学家研究小组研制出一种高效超材料(metamaterial)，能够吸收所有到达其表面的光线，达到光线完全吸收的科学标准。这项研究报告发表在2008年6月出版的《

隐身衣技术需要超材料

物理评论快报》上。

波士顿学院物理学家威利·J·帕迪利亚说，“当光线打击材料介质时会出现三种情况：光线被反射，比如光线照射镜面时；光线被传播，比如光线照射在玻璃窗户上时；最后一种情况就是光线被吸收并转换成热量。这种最新设计的超材料可以确保光线既不被反射，也不在其中传播，而是将光线完全吸收转换成热量。我们设计的超材料具有特殊的频率可以吸收所有打击在其表面上的光量子。”该研究小组除帕迪利亚之外，还包括波士顿学院研究员内森·I·兰迪和杜克大学大卫·R·史密教授、研究员索基·萨吉伊格比和杰克·J·莫克。

研究小组基于之前用于设计共鸣器的作用场，用计算机模拟实现了电场和磁场结合在一起能够成功吸收所有放射光线。由于这种超材料成份可以分别吸收电磁波的电场和磁场，从而可以较高地吸收窄频范围的光线。帕迪利亚称，这种超材料第一次示范了对光线的完全吸收，它不同于建造于金属元件的传统吸收材料，现使该材料更加柔韧，适合应用于收集和探测光线。

超材料的设计赋予其新的特征，突破了它本身的物理成份，能够依据光线放射程度进行“剪裁定制”。由于该材料的设计基于几何等级，这种超材料可以应用于相当数量的电磁光谱。

超材料用于3D显示

“超材料”（以负折射率介质为代表的新型人工电磁介质）使用复合谐振，可以使光在任何方向上弯曲；通过使周围的光改变方向，很有可能覆盖他们视觉以内的空间范围。如今数学家已经给出了一幅蓝图，空心光纤内铸入“超材料”制造出有覆层的管道，每个这种管道可以掩盖从平面象素阵列过来的光，可以进行3-D显示。在3-D中对微小覆层管道的排列，除了发光的一端，从平面象素阵列过来的光可以通过光纤而不被看到，这就好像光是浮在空中一样。“光通过一个物体的一端，看着它在管道中消失，却在另一端重新看见光”，罗彻斯特大学研究“超材料”的教授Greenleaf介绍说。

根据研究者的介绍，在3-D显示中采用这种原理，要求光从象素的平面阵列中通过光纤到达它们应在的空间位置上。光从“超材料”制造的空心光纤投射下来，周围的光绕着管道改变方向，使这些光不可见。另一方面，从象素的平面阵列过来的光，不可见地通过每根光纤，在三维空间的特定位置上发光。通过在空间中对数以千计这种象素的排列，可以使得3-D 显示简单地浮现在空中。

Greenleaf和他的同事警告说利用“超材料”管道进行3-D显示是一个未来多年的长期目标，但是短期内可以运用到医学上，比如，“超材料”管道可以掩盖外科医生内视检查中的不需要的部分，通过穿过“超材料”管道的光，外科医生可以有效地隐藏除了他的工具外的其他可见物，可以更快，更准确地进行内视检查。

Greenleaf和他的合作者还未制造出“超材料”管道，不过，他们声称可以制造出蓝图可以让其他制造者参照。特别地，“超材料”需要对负折射率的设计，所以可以使光在管道中从一个方向转为另外一个方向，就好像覆层管道几乎不存在一样。研究者的蓝图包括管道内“超材料”涂层的一系列的参数设置。Greenleaf的合作者包括芬兰赫尔辛基理工大学教授Matti Lassas，伦敦大学学院教授 Yaroslav Kurylev和华盛顿大学教授Gunther Uhlmann。[

超材料作为的学科始于2001年。光启创建团队在2009年首次实现了宽频带超材料隐身衣的设计与制备，该成果刊登在美国《科学》杂志上，引起业界很大的反响。2010年《科学》杂志将超材料评为过去十年人类最重大的十大科技突破之一。超材料领域现在正处于从科学研究到大规模应用的关键时期，类比于三十年前IC产业。光启所引领的超材料技术就是在全球率先创建超材料产业。

光启超材料技术创新平台

国家科技部依托光启建立了超材料电磁调制技术国家重点实验室，光启还建立了1个广东省工程实验室、1个广东省重点实验室以及深圳市一系列超材料重点实验室和工程实验室，着重于超材料及电磁调制技术的科学研究。

国家标准化管理委员会成立了全国电磁超材料技术及制品标准化技术委员会，光启作为秘书处，着重于超材料及相关产业的标准化建立。

国家民政部批准光启成立超材料产业联盟，驱动联盟上下游企业共同发展，带动千亿产值规模的超材料产业集群。

国家人力资源和社会保障部与全国博士后管委会批准光启设立博士后工作站，着重于培养相关行业领域博士后人才。

光启从2011年开始实施专利战略，并已形成了以超材料技术为核心的光启创新技术专利池。截止2014年6月，光启申请核心专利超过2600件，占过去十年相关领域专利申请量的86% 。

超材料物理原理

自然界材料由原子电子的规律排布组成，具有固定的电磁参数，不可人为改变。

超材料是一种由材料组成的“材料”。其中，介于宏观与微观之间的介观微结构是超材料的基本组成单元。超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性，包括：

1.可设计电磁参数

2.电磁参数任意可调

3.可设计的非均匀分布

4.可设计的各向异性响应

超材料技术是一种材料逆向设计技术。

超材料电磁调制原理—— 任意调制电磁波的传播

通过超材料对电磁波的响应，我们可以利用超材料任意控制电磁波传播的方式。超材料可以超越自然界，让电磁波往法线同一侧折射，这种材料叫负折射率超材料；可以让穿过它的电磁波发生极化的旋转；可以让远方传来的电磁波信号汇聚到一点；甚至可以实现科幻电影中的“隐身衣”，让电磁波像流水一样绕过物体，实现隐身功能。因此我们可以设计和制造在空间增益、波束偏折、极化旋转、吸收、透明等各方面的高性能超材料器件。总之，超材料技术的核心关键就是对电磁波传播的人为设计、任意控制。

∙电磁波负折射传播 

∙旋转电磁波极化 

∙汇聚电磁波能量 

∙扭曲电磁波-超材料隐身衣

制造战机是超材料重要应用领域之一

　　图为应用超颖射频技术（Meta-RF）的新型卫星通信产品。该产品是深圳一家公司基于超材料与Meta-RF电磁调制创新技术开发的一系列卫通专利产品及解决方案。这一系列产品的最大特点是对卫星通信电波的灵活调制，实现产品便携化、共形化等，进而满足个性化需求。这项技术获得首届中国电子信息博览会创新金奖。

　　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·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“超材料”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：“”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。

　　这种超材料的新奇之处在于，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。这种超材料被科学家誉为“由材料组成的‘材料’”。

　　上月，《电磁超材料术语》向国家标准管理委员会报批，标志着我国在超材料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，对于处在超材料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领域引领世界潮流。因为有一点毋庸置疑：未来的世界，将由超材料来建造。

　　❶“弯曲光、改变波”

　　　超材料性能神奇

　　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·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，也宣告了超材料学的诞生。

　　那么问题来了——究竟什么是超材料？

　　超材料，英文称为Metamaterial，其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。一般文献中给出的超材料定义是“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超材料，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，超材料研究正在发酵。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。

　❷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、学术界、产业界对超材料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超材料的研究计划，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研究。美国国防部更是将其列为“六大性基础研究领域”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，支持至少两个关于超材料技术的研究项目，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材料片。将上述材料片覆盖在物体上，在红外照相仪观测下，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研究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超材料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。像超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通信天线、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。

　　❸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，我国在超材料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超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面，我国企业取得了多项原创性成果，并在世界超材料产业化竞争中占到先机。

　　曾在美国留学并在《科学》杂志发表关于新型超材料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超材料的智慧社区、无线互联、航空航天等领域的产业化方面走在世界前列，如其全球首条超材料微结构精试线，设备定制化程度高达70%，可实现高达2微米的工艺精度。他们还设计了超材料生产标准化流程。

　　以其设计的电磁超材料天线为例，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超材料核心领域展开的激烈竞争之一。

　　另一方面，我国在超材料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超材料，这样可以实现我国未来太空飞行器的零部件的快速打印和更换。

　　此外，为了打破欧美对超材料技术标准的垄断，上月，全国电磁超材料技术及制品标准化技术委员会审查和报批了国家标准《电磁超材料术语》。这意味着，我国在全球率先制定出超材料领域的国家标准，将对我国在超材料技术的研究和标准转化起到重要作用。

　　有调研公司预测，超材料全球市场规模在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超材料产业集群正在崛起。

　　利用驾驭电磁波的超材料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的领跑者。（彭训文）

　　专家视点——

　　“超材料”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·魏格纳教授

　　超材料对航空航天、国防、民用科学技术的促进表明，新材料将会成为科学研究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

　　超材料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超材料技术的必要性，凝练发展重点，选择合理技术路线，制定符合超材料技术发展趋势、与我国国情相适应的超材料技术发展战略。

　　——中国钢研科技集团有限公司副总工程师周少雄