走近前沿新材料（第一辑）：超材料——真的能让你来无影去无踪吗？
当提到隐身，最先想到的可能是哈利·波特的斗篷。其实，在我国古代也有一种“神鬼莫测”的隐身道术，称为遁术。那是一种利用特殊技术进入各个纬度空间，并借助其他物质逃生的办法，比如用亮金属反射光线快速晃瞎人的眼睛，借此逃脱。说实在的，对比这些旁门左道的小伎俩，当今的前沿新材料完全不在话下，我们年轻的新一代追求的是四项全能超级完美隐身，真的可以来无影去无踪。这四项全能隐身就是你看不见、触摸不到、感觉不到呼吸气息、感觉不到温度。神奇的超级隐身能力会让人质疑“我存在还是不存在？”哈哈，有了这种完美隐身，就可以上天入地、天地任我行了。我们一起来看看怎么实现吧。
超材料
实现这四种非常牛的神奇功能，靠的是一种21 世纪才开发出来的前沿新材料——超材料。什么是超材料？“超”者，“超常、另类”之谓也，这是超材料的英文metamaterial 中的拉丁语词根“meta-”表示的意思。超材料具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些超常的特殊性质主要来自人工设计的特殊结构。因此，超材料就是具有人工设计的结构，并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的功能材料。其实，超材料在物质成分上并没有什么特别之处，它们的超常特性源于其精密人工设计的几何结构以及尺寸大小，如果这些微结构的尺度小于它作用的波长，就可以对电磁波产生特定的响应，从而产生诸如负折射、隐身的效果。好了，下面就让我们来认识一下这四种典型的超材料，即光学超材料、力学超材料、声学超材料和热学超材料，及其非常牛的隐身功能吧！
看不见——光学隐身
接下来的故事，涉及初中物理知识光的折射。当一束光通过空气与水的界面时会发生折射，如图1 所示。在图1（a）中，当折射率等于1.3 时，折射光会沿垂直方向向内靠拢；在图1（b）当折射率等于1 时，光通过空气与通过水一样，没有变化，还是直线；在图1（c）中，当折射率等于-1.3 时，这种光的折射现象在生活中可是非常难得一见的。这样操纵光跟隐身有关系吗？回答是肯定的！第一项隐身超能力“看不见”就是操纵光线。
图1 折射率分别为1.3，1 和-1.3 时光的折射现象
古代所谓的遁术，是用亮闪闪的金属反射光线快速晃瞎人的眼睛，其实就是让人眼看不见光。如果我们能用特殊的技术，让光发生不同方向的折射现象（图1），是不是就可以任意地操纵光线，随心所欲地拿捏各个纬度空间呢？那就让我们撕裂空间试试，像图2 那样在空间里挖个洞。注意第四个图里面，黄色的光线是不是绕着撕开的孔洞外围传播？这时候黄色的光线不能穿进洞里，只能在洞外瞎转悠，在黑色边的孔洞里，光线就进不来了。没有了光线，如果我们站在这样的孔洞里，请问你还能看见我们吗？
图2 撕裂开个空间，让黄色光线不能进入黑色的孔洞（目前只是实验模拟阶段）
我们可见的这些光，其实就是一类电磁波。科学家能操纵光，就是能够操纵电磁波。电影里哈利·波特的隐身斗篷，其实就是操纵光线，让光线“绕行”，不再沿着直线传播，这样就看不见站在中心的人了。科学家们为了制造这个隐身斗篷，开始拼积木似地将不同特殊设计的人工结构搭建在一起，得到一种新的人工材料，即为超材料。这种操纵光线的超材料，称为光学超材料，用这种材料可以制作隐身衣服，穿上这件衣服，别人就看不见你了。不过，遗憾的是，现在网络上说的隐身衣，其实都不是真的。真正的可见光的隐身衣科学家还没有制造出来呢，或者是已经制造出来了，还是高级机密信息。
触摸不到——力学隐身
说实在的，看不见的光学隐身都快研究20 年了，科学家们天天摆弄光线电磁波，却还没有制造出隐身衣，真是让人气馁啊！后来科学家们只好想别的办法，开始操纵弹性波，来看看初中物理最先讲的力是怎么传递的。比如，我们小时候玩过的把戏，把一张纸折叠几次，它就能承载很大的重量了。正是这种折叠的“结构”让柔软的纸张变得“强壮”。这其实就是在无意中借鉴了超材料的设计理念。想想看，在图3 中，那么重的力压在柔软的纸上，力都跑哪去了呢？
图3 折叠结构让柔软的纸变得强壮
科学家们玩完游戏，突发灵感——用各种各样不同材料、不同结构和不同外形的微小物体块搭建在一起，得到更多样化的让你触摸不到的力学超材料。目前，无触感斗篷隐身技术（图4）是最常见的力学超材料的应用。这时力学超材料将圆柱体隐藏起来，手指是触摸不到的。
图4 力学超材料将圆柱体隐藏起来，手指感觉不到
力学超材料的研究刚刚开始，就出现了很多种类似无触感的隐身技术，比如负泊松比、负弹性、负刚度、负可压缩性等超常力学性能。这些科技名词可能到大学的课程里才会学到。打个比方，好比我们拔河时恨不得把绳子拉细拉断，可是如果这根绳子是力学超材料制成的，我们越用力拉，绳子就会越粗。再比如，小时候生气时可能会一个劲地踹泥土地来发泄，有时会踹个大坑出来，若是你踹力学超材料制成的泥土，你越用力踹，材料越是膨胀。如果用力学超材料做个足球，就不用打气了，因为越踢足球，里面的气就越多。可惜的是，现在这种力学超材料足球还没有卖的，只能找科学家来定制，且未必能做出来。
感觉不到呼吸气息——声学隐身
还有一种情况，如果我们真的隐身了，人们看不见，触摸不到，可若是我们打了个喷嚏，或是大喘气一下，肯定又会被发现了。于是，怎么让呼吸也消失，让人感觉不到呢？想想看，当开口说话和呼吸时，是不是与声带有关？那就是让科学家们操纵声波，也就是弹性波。这种操纵声波的超材料，称为声学超材料，就是用各种各样不同材料、不同结构和不同外形的微小物体块搭建在一起，得到一种更特殊的材料。比如用这种声学超材料制成传感器（图5），声波会在传感器处消失，经过声学超材料后，再大的声音人们也听不见。所以你戴上用这种声学超材料做的口罩，你呼吸、打喷嚏或大喊大叫时，没人会听得见。只是，声学超材料研究也是从最近这几年才开始的，科学家们还在通过实验来模拟和验证这种声学超材料口罩的功能。
图5 隐形声学传感器
感觉不到温度——热学隐身
现在就接近完美隐身了，人们看不见、触摸不到，也感觉不到呼吸，可是我们的身体还在向空气辐射热量，如果用检测温度的红外仪器一照，我们就原形毕露了。怎么办？于是科学家们开始研究热学隐身，让人体的温度也不存在了。大家都知道热流是从高温向低温流动的，比如手握一块冰块，手上的热量就传给了冰块，于是冰块就融化了。如果手握一块冰块而不让冰块融化，
该怎么办？有人说戴上厚厚的手套就可以了。是的，手套挡住了热流向外扩散。就像图6(a)所示的，红热的高温热流遇到圆形的热学超材料时，黄色部分的热量就绕着中间的圆形边缘走，热量并没有传递到右侧。那么如果人们站在右侧的位置，是检测不到人体的热量的。
还有一种情况，就是让热流反转。如图6（b）所示，图中圆形内部的热流是旋转形状的，这里不同的颜色代表不同的温度值，红色温度最高，黑色温度最低。这样，热流不像往常那样从高温流向低温，而是从低温流向高温。也就是说如果戴上这种热学超材料编织的手套握着冰时，手也会变成冰的，而冰并不会融化。如此一来，穿上热学超材料的衣服，红外仪器是检测不到我们存在的，如此完美。
四项全能超级完美隐身术——我存在？还是不存在？
现在让我们回顾一下，这四项全能隐身——看不见的光学隐身，触摸不到的力学隐身，感觉不到呼吸气息的声学隐身，感觉不到温度的热学隐身。若综合这四项全能，穿上这样的超级隐身衣，马上成就超级完美隐身超能力。我存在？还是不存在？有了这种四项全能完美隐身衣，你就可以天地任逍遥了。不过这种隐身衣还在科学研究中，你可不可以多学习一些物理知识，来实验室帮帮这些科学家们呢？
参考文献从略。
中国科学技术大学出版社
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
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超材料——真的能让你来无影去无踪吗？
当代“鲁班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料
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明日叙。。。