比翱工程实验室丨解密超材料 - Meta时代的人工结构材料

比翱工程实验室丨多孔材料与人工结构物理特性表征与验证平台
附加到材料上的前缀“Meta”(希腊词，意思是超越)表示所讨论的材料具有无法根据我们在自然界中观察到的情况明确定义的特性。超材料是人工制作的复合材料，其特性来自内部微观结构，而不是通常在天然材料中发现的化学成分。因此，它们可以实现非自然发生的物理特性。Victor Veselago在1960年代首次描述了超材料的特性，他专注于负折射率材料的纯理论（当时）概念。 
超材料是不同的。但是，它们不同的确切原因有点不太确定。为了尽可能简单地解释它，对于传统材料，磁导率和介电常数等电磁参数源于构成材料的原子或分子对通过的电磁波的响应。在超材料的情况下，这些电磁特性不是在原子或分子水平上确定的。相反，这些属性是由组成超材料的一组较小物体的配置决定的。超材料是一种特殊的一维、二维或三维人工结构，具有自然界中通常没有的物理特性。由于介电常数 (ε) 和磁导率 (μ) 同时为负值，波矢量和电场和磁场强度矢量形成一个左手三元组，其结果是逆平行相位、波群速度和反向波传播。左手材料的这些独特特性使得新的应用和设备得以开发。 超材料分类根据其表现出的特性、目标应用和内部组成，超材料可大致分为电磁、声学和力学三大类：电磁超材料可进一步分为：- 负折射率超材料- 单一负超材料(SNG)：SNG要么具有负的相对介电常数，要么具有负的相对磁导率，但不能同时具有负的相对介电常数或负的相对磁导率- 双曲超材料(HMM)：HMM在光传播的特定极化或方向上表现为金属，在另一个极化或方向上表现为电介质，这是由于负介电常数张量分量和正介电常数张量分量，从而产生极端各向异性。超材料的应用超材料天线是一类使用超材料来增强或增加系统性能的天线。超材料可以增强天线的辐射功率。可以实现负磁导率的材料可能具有诸如电小天线尺寸、高方向性和可调谐工作频率等特性，包括阵列系统。此外，基于超材料的天线可以显示出改进的效率带宽性能超材料，高阻抗接地层也可以用于提高辐射效率，以及靠近接地层的低剖面天线的轴向无线电性能。超材料也被用来通过在漏波天线中使用前向波和后向波来增加波束扫描范围。各种超材料天线系统可用于支持监视传感器、通信链路、导航系统、指挥和控制系统。接下来，超级透镜使用超材料来达到超越衍射极限的分辨率。衍射极限是传统光学器件或透镜固有的。通往超级透镜的道路是它能够显著增强和恢复在非常小的尺度上携带信息的倏逝波。还没有一个透镜能够完全重建物体发出的所有倏逝波。 超材料也是尝试构建实用隐形装置的基础。斗篷使微波束偏转，因此它们在内部“隐藏”的物体周围流动，几乎没有变形，使其看起来几乎没有任何东西存在。这种装置通常涉及用外壳包围要隐蔽的物体，外壳会影响光线在其附近的通过。特别调谐的声学超材料是人工制造的材料，旨在控制、引导和操纵声波、次声波或超声波形式的声音，因为这些可能发生在气体、液体和溶液中。 
超材料还可以充当吸收器，操纵超材料的介电常数和磁导率的损耗分量，以吸收大量电磁辐射。这是光电检测和太阳能光伏应用的有用功能。损耗分量也与负折射率（光子超材料、天线系统）或变换光学（超材料隐身、天体力学）的应用相关，但通常不用于这些应用。

多孔材料与人工结构

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