【科技评论】国际激烈角逐的新兴领域：超材料的变革
一、超材料是什么
在电磁学、光学、材料学和微波工程技术等领域，人们习惯用介电常数ε和磁导率μ来描述材料的电磁本构性质，并且认为这两个材料参数的相对值（相对介电常数、相对磁导率）通常是大于或等于1。因此，当苏联和科学家Veslago在1968年撰文研究介电常数和磁导率同时为负值材料的奇异特性时，人们并未给予重视。2000年左右，英国帝国理工大学的J.B.Pendry教授发现了可采用金属线和金属谐振结构单元在微波频段分别实现负介电常数和负磁导率，同时，美国杜克大学的D.R.Smith教授等在微波频段首次实现了介电常数和磁导率同时为负的材料，并由此引发了材料设计思想上的变革。人们首次明确的认识到，由人工构建的基本“单元”组成的“材料”可以超越自然界材料本征参数的限制，实现自然材料所不具有的物理特性和功能，这些被人工结构改性过的材料被统称为“超材料”（Metamaterials）。
超材料与自然材料对比
Meta这个词缀来源于希腊语，意为“在……之后，超越……”（post，beyond），metamaterials可理解为“对材料进行人工改造后，形成的具有超越改造前材料特性或功能的人工结构材料”，在国际上也通常把超材料称为“Engineered/structured materials”，简言之，超材料不仅是一种新的材料形态，更是一种材料设计/构造理念，极大地拓宽了材料研究和应用的想象空间。
现代的超材料通常是由周期性或非周期性人造微结构排列而成的人工复合材料，核心思想是通过复杂的人造微结构设计与加工，实现人造“原子”对电磁波、光波或声波的响应。因此，超材料也是一门前沿多学科交叉技术，所涉及的技术领域包括电磁场、计算机仿真建模、统计学与多目标优化算法、先进的精密复材加工技术等。
二、超材料发展里程碑
理论验证阶段：
开口谐振环结构
·1968年，前苏联Veslago教授提出了双负材料具有负折射率的假设
·1999年，英国帝国理工大学John Pendry团队，分别利用金属细观结构和开口双谐振环实现了负介电参数与负磁导率
·2001年，美国杜克大学D.R.Smith团队通过实验验证了负折射率现象的存在
2.关键技术突破阶段：
宽频带超材料隐身衣（右：电磁黑洞）原理试验
·2004年，DARPA宣布材料快速应用计划（AIM）并联合美国著名高校和军工企业联合开展超材料专项研究；欧盟批准了METAMORPHOSE（MetaMaterials Organized for radio，millimeterwave，and Photonic Superlattice Engineering）项目，用于欧洲国家开展超材料在微波和光学领域的应用研究
·2006年，美国杜克大学D.R.Smith团队完成了窄带电磁隐身衣（cloak）试验
·2009年，美国杜克大学刘若鹏与D.R.Smith团队完成微波频段地面目标的二维宽频带隐身衣快速设计与制备技术（发表在科学杂志上）
美军在“鹰眼”预警机、濒海战斗舰以及RQ-180概念隐身无人机上开展超材料应用研究
3.快速发展阶段：
·2010年，美国空军把超材料列为未来20年影响空军装备发展的关键使能材料技术（Enabling Technology）；日本披露在“心神”战斗机上采用超材料隐身技术。
·2011年，美国海军E2“鹰眼”预警机应用超材料雷达罩技术；中国深圳光启推出全球首款超材料平板卫通天线并建立了全球首个复杂超材料设计与加工中心
·2012年，美国国防部把超材料列为未来“六大颠覆性基础研究领域”之首；美国空军开展无人机ISR（Intelligence、Surveillance、Reconnaissance）情报监侦系统的机体共形天线研究；
·2013年，美国海军在濒海战斗舰上开展大规模超材料结构件应用研制
·2014年，中国深圳光启完成了大型特种航空超材料部件的制备；中国率先制定了全球首套超材料技术国家标准
其中，2003年研发的“负折射率左手材料”与2006年研发的“超材料隐身衣”分别被《科学》杂志评为“世界十大科技突破”，2007年《Materials Today》评选超材料为材料科学领域在过去50年间的十大进展之一，2010年《科学》杂志评选超材料为过去10年中人类最重大的十大科技突破之一。
3.超材料应用领域与发展趋势
超材料作为一种新兴的材料逆向设计技术，其应用领域十分广阔，主要包括国防、航空、通信、安防、医疗等五大方面。
超材料技术应用领域
当前，美国波音公司、美国雷神公司、日本丰田公司、韩国LG电子公司、等世界级跨国公司正着力推动超材料技术的产业化进程，积极抢占超材料市场份额，主要的研究方向集中在：（1）新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法；（2）器件的制造：由于亚波长特征尺寸的限制，在光频波段进行器件制作需要高技术水平；（3）相互作用的研究：由于超材料的大多数性质都与表面/界面波有关，进一步探索这种近场波与自由空间电磁波的耦合，以及其材料内部的传播 性质，需要不断更新理论概念、分析方法和实验测量技术等方面。
未来超材料技术将向更宽频谱（太赫兹、红外）、数字化、智能化（AI）等方向发展，主要集中在以下三个领域：
1.智能结构材料集成器件：如自诊断、自修复智能材料，传感器蒙皮材料，纳米波导，超衍射极限高分辨成像透镜等
2.军用隐身材料：如雷达波/红外一体化隐身材料，自适应可控隐身材料等
3.通信遥感系统：如可重构宽带综合射频天线，结构共形传感器蒙皮等。
（来源：微信公众号“光启”）
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