首发 | 超材料“超”什么，怎么“超”？
导读
就在人们为今年入夏以来强劲热浪袭击下的极端高温天气烦躁不安时，媒体上近日有关“超材料织物外衣可降低体温近5摄氏度”的报道引起了广泛关注。报道说，中国武汉光电国家研究中心和浙江大学光电科学与工程学院的研究人员通力合作，开创性地研究出了一种具有优异日间辐射制冷能力的无源制冷光学超材料织物（Metafabric），穿上由它制作的服装即使在户外强烈阳光暴晒环境中，也可降低人体表面温度近5℃。据披露，该研究的相应成果已于7月9日在线发表在国际顶尖学术期刊《科学》上。这无疑是超材料研究的又一次重大突破，对促进超材料的应用具有非常重要的意义。
果真如此吗？那我们就来认识一下超材料，同时通过几个侧面讨论一下其国防军事应用前景，领略一下它那梦幻般的特性，看看相比自然界的天然材料，它“超”什么和怎么“超”？
01
什么是超材料，如何才能获取它?
材料是人类社会赖以生存和发展的重要基石。在信息化进程不断深入的今天，人类越来越需要具有不同功能的材料来适应不同的场合和满足不同的用途。比如，用前面提到的辐射制冷材料实现体温降低，还有用损伤愈合材料实现自修复，用疏水材料实现防水抗腐，用热电材料实现节能发电，用感应材料实现软硬度自适应调整，用使电磁波弯曲材料实现隐身等等。这都要求材料必须拥有奇异或超常的物理性质。然而，人类从自然界中寻找具备这样物理性质的天然材料收效甚微，甚至变得越来越不可能。如此一来，人类不得不另起炉灶，利用人类业已取得的材料科学领域的成果，通过人工复合的方式，获取自然界中不存在的、但却能超越常规性能极限的功能性材料。就是在这样的大背景下，超材料诞生了。
超材料的概念最早是由苏联物理学家韦谢拉戈（Veselago）于1968年提出的，它是指结构由人工设计，能呈现出自然界天然材料所不具备的超常物理性质的新型复合（结构）材料。其核心思想是，通过在材料的关键物理尺度上的有序设计或重组，在单元结构（人工原子与人工分子）和单元结构集合的基础上，突破某些自然规律的限制，获得天然材料不可能有的、物理性质主要由人工微结构决定的复合结构或复合材料。超材料的新奇之处在于，它能通过复杂的人工手段对物质原子、分子施加影响，利用人工结构来改变或控制材料的力学性质、热学性质、电磁性质、光学性质和声波性质等。
实际中，往往能以逆向设计的方式，根据具体的应用需求、场合或要实现的功能、特性等，主要从单元结构和单元结构集合这两个人工微结构层次，对单元的几何形状、尺寸大小和排列方式进行有序和精密设计，来研究和制备相应的超材料，让其呈现出有别于传统和有违常理的或者是全新的物理现象，进而提升、改变、创新传统天然材料的性能。从这个意义上说，超材料技术是一种另辟蹊径、相对已有传统或主流技术而言、可产生革命性效果的一种颠覆性技术，所以由它催生的超材料可能有很多人类梦寐以求的、异乎寻常和激动人心的特性，使其不但能更好地满足日益发展的工农业和商业的需求，而且能用于国防军事领域，推动其不断变革和进步。
02
超材料的特性和国防军事应用展望
人们当前发现的超材料所具备的特性有很多，其中对国防军事领域最有吸引力的包括超常电磁、导电、光学、仿生、疏水等别具一格的重要特性。利用具有这些特性的超材料，可以极大地改进武器装备的性能或设计制造出全新的武器装备，为提高部队的作战能力和打赢现代化战争奠定物质基础。
超材料不反射电磁波，能实现隐身隐形
传统常规材料构成的物体，会把照射到其上的绝大部分电磁波反射回去，被雷达、光电等探测装备捕获，或被人的裸眼觉察到，所以无法做到隐身隐形。但超材料通过细微的几何单元构形和排列，让电磁波的折射率被人为控制，使照射到物体表面的微波、红外和光波等特定频率的电磁波弯曲后“绕道”而行，或者像流水一样自如地滑过物体表面前行，不再发生电磁波的反射现象，从而无法被探测到或看到。这与现在主要采用隐身外形设计和隐身涂层的方法，通过散射和吸收电磁波实现隐身的作用机理截然不同。所以，超材料隐身隐形具有颠覆性的影响，能为作战平台和武器装备制成隐身蒙皮，在不改变它们外形特征和不影响它们动力学特性的情况下，使它们具备雷达和红外隐身性能，甚至能对超材料同时通过结构的叠加设计，制成科幻电影中超人用的隐身斗篷，让披挂上它的士兵既能对光波隐形，又能对特定频率的声音隐声，在战场上达到古往今来人们一直苦苦修炼的“来无形、去无踪”的效果。
▲超材料可制作隐身衣
超材料电磁波反射强烈，能实现“显身”
电子战中，在对抗敌方雷达探测时，经常要采用电子欺骗，这其中有一种手段要用到由三块相互垂直的金属平板制成的角反射器，它放到目标周边适宜的地点，就能以较大的散射截面对入射电磁波进行强烈的反射，以此形成功能性假目标并产生“显身”效应，目的是隐真示假，迷惑和诱骗敌方的雷达，掩护真目标。但传统材料构成的角反射器，金属板较厚、重量也很重。而更大的缺陷是，它对不同工作频率的雷达波反射的强弱不一样，带来实际应用上的局限性，有时难以发挥出欺骗效果。其实，按照入射波的频率大小对单元结构进行周期性地排列，能复合成一种厚度很薄、强度很高、反射能力更好，并对特定频段内的电磁波都有很好反射作用的超材料。用这种超材料制作角反射器，不但整体重量轻，便于携带、布设和撤收，对雷达波反射更强；更绝的是，它对不同频率的雷达波的散射截面都基本相同，从而能有效对抗不同频率的雷达或探测能力更强的变频雷达，更好地实施电子欺骗。
雷达和通信等军用电子系统及正在实用化的微波武器系统的天线，为保持高的强度、强的耐腐性、好的方向性，当用传统的常规材料制造时，总体上说难以克服厚度大、重量重、口径宽等缺陷。但用超材料制作，因为它经过了细致入微的结构和电磁参数设计，能大大降低材料的质量密度，提高其柔韧性及强度和抗腐蚀能力，并可在很大程度上控制或操纵电磁波和声波的传输过程，所以由超材料构造的天线，不仅重量轻、厚度薄、强度高、抗腐蚀，可省去外部起保护作用的天线罩，而且天线的聚束能力强、工作频带宽、信号损失少、环境适应性好、口径可制作得更小，并拥有可控的电磁波方向和很强的目标追踪能力，信号发射和接收效能都很高，且其良好的柔韧性能实现与载体弯曲表面的有机融合或共形设计，进而增强系统的隐蔽性，并有利于对天线的拼装和折叠，便于部队作战时的携带、架设和撤收，提高作战的机动能力。
▲超材料让电磁波（光波）弯曲
超材料导电率极高，能实现工作时不发热
用硅和锗等半导体材料制作的晶体管、集成电路和芯片等电子器件，受导电率的制约，工作时都要发出很多热量，特别是在长时间或保持高性能运行时。这一方面白白耗费了能量，降低了器件性能的发挥，另一方面还必须用风扇和散热器等附属设施进行降温散热，以维持电子电气设备性能、避免引发故障，这势必增大了电子电气设备的重量和体积，增加了成本。而超材料却不同，它能像石墨烯材料一样，被用人工方式构造成单原子层，不过其原子为其他（如锡）原子而非碳原子，因此能产生石墨烯都无法达到的导电水平——室温下100%的导电率（即零电阻率），从而对电子器件带来革命性的影响。这就是说，用超材料为基材制作的电子器件，能具备超常的导电特性，工作时不再会带来发热现象，所以当被用于雷达、通信等军用电子设备和武器装备中，能极大降低它们的重量和体积、降低成本，同时提高可靠性，增强性能，延长工作时间。
▲辐射冷却超材料织物
超材料光学性能奇异，能实现平面聚焦
传统的照相机、摄像机等光电成像设备，最关键的部分就是光学镜头，它往往是由一组不同厚度和高抛光面的玻璃透镜构成。当物体的反射光穿过光学镜头时，利用光的折射现象把光聚焦到一点后就能对物体成像。光学镜头在成像设备中，首先是体积和重量很大，其次因为通光量有限存在像差，降低了对物体的成像质量。如果采用对微观单元重组和排列的方式，按照光波的传输要求对材料进行特殊设计，就能构造出由不同化合物嵌套的、具备神异光学特性的超材料，进而制造出所谓的平面透镜，它能利用二维平面、以非常规的方式聚焦光线对物体成像。超材料的平面透镜成像时，不需要镜头或配套的任何移动零部件，且基本无需考虑通光量问题，因而不会出现像差。由此构成侦察卫星的光学成像系统，不但结构简单、重量轻、体积小、可靠性高，便于卫星携载和火箭发射，明显提升卫星的隐蔽性，增加卫星生存能力，延长卫星寿命，而且卫星在侦察时光波传输能力强，对地面目标成像效果优异。
▲超材料制造人工黑洞
超材料具备仿生特性，能实现伤口自愈合
众所周知，人类和动物包括植物受伤后，都能在一定程度上自体疗伤、快速自动愈合伤口，表现出强大的自修复和自愈合能力，但很多其他物体（特别是非生物的）却没有这种能力。利用材料复合技术，通过内嵌和结构编码或重组，可以制造出具备不可思议的自愈合能力的超材料，它能模仿动物或植物的体内渗液修复方式，自动愈合伤口。由此，就能把这种具备仿生能力的超材料，作为坦克、战机、舰艇等作战平台或武器装备的基本构材。这样的超材料不但拥有作战平台或武器装备所要求的所有特性，而且能在表面出现破损或受到战伤时，利用内嵌的“血管系统”，渗出一种特殊修复液体——也可是另一种超材料，填充、覆盖裂缝或损伤部位并快速抹平和凝固，实时完成伤口的自修复和自愈合，真正实现军队长期追寻的、作战平台和武器装备在战时“轻伤不下火线”的目标，让它们有必要的完好率，能连续作战并完成作战任务。
普通的材料，如木板、塑料和金属等，甚至表面光泽平滑陶瓷和玻璃，浸入水中拿出后不可能一点水都不沾。但构造成微纳米结构表面，对表面粗糙度进行人工设计和搭配，并用专门溶液浸泡处理后得到的超材料，从水中取出却能像荷花一样“出污泥而不染”，不但不会带出任何水珠，表面仍然十分干爽，说明超材料产生了很好的疏水特性。想想看，把这种超材料用于舰艇或水中武器的外表面，可在表面形成一层空气垫，改变舰艇、水中武器与水的接触状态，使它们在水上航行或水下潜行时所受阻力更小，极大地提高它们的航速或攻击速度。同时，再结合超材料所具备的良好的疏水特性，还能抵抗高盐分雨水、海水和雾气及微生物的侵蚀，增强不得不长期浸入水中的舰艇的抗腐蚀和防锈能力，降低舰艇的维护保养难度和费用，延长舰艇的使用寿命，让舰艇长久保有“金刚不烂”之身。
▲超材料实现人体隐身1
▲超材料实现人体隐身2
▲超材料实现人体隐身3
03
超材料的光明未来
然而，超材料目前存在的问题或出现的挫折，应该是任何科学技术在发展过程中的“惯例”。所以我们应该有信心，未来伴随着诸如3D打印、人工智能、纳米、量子等技术的发展和应用，只要进一步改进现有的材料复合制造技术，或者找到更加实用和经济的结构制造方法，比如在非常细微甚至微纳米尺度上重组或编码超材料的结构，就可能精确控制其力学和电磁等性质的“一举一动”。到那时，超材料目前所面临的令人望而却步的诸多问题都将迎刃而解，其最好的时代就会到来——人们可以游刃有余地开发出各种功能性或综合性超材料，使超材料更好地发挥出人类社会发展的物质基础和先导作用，真正像媒体所预测的那样“无所不能”，担当起“改变世界”的重任，并促进武器装备性能的跃升或催生出全新的武器装备，进而“颠覆未来作战”。
THE END
文字 | 王群 (国防科技大学国防科技战略研究智库)
图片 | 来源于网络
编辑 | 许婧
审阅 | 张于舒晴
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