数字超材料：超乎你的想象

王握文毛元昊朱晰然

2020-05-22 08:03:51　来源：解放军报

　　在科幻电影中，那些具有超强本领的人被称为“超人”；在现实生活中，那些具有超强计算和处理能力的计算机被称为“超算”……

　　在五花八门的材料世界里，也有一种物理性质“超常”的特殊材料，叫做“超材料”。这种材料在自然界并不存在，是本世纪才出现的一种具有特殊性质的人造材料。它通过对某种材料的再加工，并在其表面或内部设计出特殊几何结构或排列方式，使其拥有天然材料所不具备的特殊性质。天然材料的性质是由其成分来决定的，超材料的“超常”性质则源自其后天的结构。

　　随着科技的进步，在超材料基础上还发展出数字超材料，或者叫数码编程设计的超材料。这是一种通过特定设计、打破传统规则结构、拥有奇异光学及声学特性的超材料。有了它，科幻乃至魔幻电影中的“隐身斗篷”“超级透镜”等奇思妙想也将加速变为现实，人们的生活将会因此而发生重大的改变。

　　“反常”疑问，催生新奇材料

　　原本自然界中不存在的超材料，是如何“无中生有”孕育出来的呢？

　　1968年，苏联理论物理学家菲斯拉格发现，光束由空气中斜射进入水中，入射光与折射光位居法线两侧。于是，他突发奇想：是否还有另一种介质，与上述现象相反，能让入射光与折射光位居法线同侧呢？

　　菲斯拉格的这个“反常”疑问，并非异想天开。从理论上讲，人们只需找到一种同时具有负介电常数和负磁导率材料，就能出现这一“反常”物理现象。只是当时没有开展实验验证，加之功能材料尚处于发展初期，菲斯拉格的这个大胆的科学猜想并未引起重视。

　　幸运的是，随着人们对电磁理论的深入理解和微纳加工工艺的快速发展，一种在微纳尺度上拥有周期结构的人造器件诞生了。它不仅在实验上实现了负介电常数、负磁导率等一切理论预言，更是让人们深刻地理解到：通过在多种物理结构上的设计，人们可以突破自然规律的限制，获得超常功能的“新物质”，即具有奇异功能的超材料。

　　超材料是材料设计思想上的一个跨越式重大创新，被誉为本世纪前10年的10项重要科学进展之一，已成为发掘材料新功能、引领产业新方向、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。

　　创新永无止境。超材料方兴未艾，数字超材料又应运而生。2014年，我国东南大学研究团队首先提出了数码、电磁可编程的数字超材料概念。与拥有周期排布结构的超材料不同，它由若干个单元按照编码的方式排布，就好比给材料注入了活的“基因”，可由人们进行调控。而这些新型材料将会忠实地听从“指示”，实现所需的各种奇异功能。

　　超级“另类”，性能独树一帜

　　数字超材料的出现，实际上是现代信息工业与前沿物理领域相互结合的产物，它将“编码思维”融入了新型超材料的设计过程。在数字超材料中，不同的编码会带来不同的电磁响应，加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念，数字超材料自然成了材料领域的超级“另类”，拥有了与众不同、独树一帜的性质和功能：

　　——结构新奇，颠覆认知。数字超材料结构超级“另类”，它既不同于天然材料依靠原子或分子结构来实现功能，又不同于传统超材料拥有规则的人工单元结构，而是完全采用数字编码的方式，凭借微纳加工技术注入的“材料基因”而拥有超常物理性质和“超能力”，其全新、奇异的结构完全颠覆了人们对物质构成的认知。目前，科学家们已经研制出具备自我修复能力的仿生塑料、将热电转化为可用电力的热电材料等“黑科技”产品。

　　——逆向设计，按需定制。数字超材料采用数字编码的方式设计，拥有十分广阔的设计自由度，可根据不同应用需求来实现“按需定制”。而基于“数字”的可编码特性，又能突破传统材料“正向求解”的设计方法，即根据各种约束条件，“从后向前”进行“逆向设计”，从而可有效解决传统设计中存在的限制和缺点。

　　——数字编码，实时可控。与传统的超材料相比，数字超材料的每个人工单元，可简化为“0”和“1”两种状态，通过调节“0”“1”两种单元的排列和组合，构建不同性质的组合单元，进而组装成整个材料，实现特定的功能。用“数字化”方式表征超材料物理特性，极大简化了超材料的设计流程，提高了材料设计的灵活度，扩大了对材料性质的调控范围。若将可编程门阵列控制系统加载在结构单元上，还可实现对数字超材料物理功能的实时控制。

　　军事应用，助推转型升级

　　超材料特别是数字超材料技术，是国际上重点关注的战略前沿技术，它为新一代信息技术、国防工业、新能源技术等领域带来了深刻变革。主要发达国家将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，纷纷开展研发与应用。

　　随着高性能计算和微纳加工工艺的快速发展，数字超材料所展现的超常物理特性将带动航空航天、新型装备制造、人工智能等众多领域的突破性发展，应用范围将拓展到国民经济和国防建设各个方面。

　　在军事领域，数字超材料也显示出了广阔的应用前景：

　　——超材料天线可实现对电磁波调整接收和自动校准功能，拓展天线工作带宽、降低能耗，有效增强天线的聚焦性和方向性，从而提高移动通信容量和高速通信能力，提升军队信息化作战水平。

　　——利用数字电磁超材料对电磁波的实时调控能力，能实现战机、舰艇等武器装备的全天候、多气候条件下的电磁隐身、热隐身、光隐身和声隐身，增强其生存、突防能力。

　　——运用数字超材料制作的传感器，具有探测灵敏度高、战场适应性强、柔软性好等优势，将其用于下一代智能探测装置，可使武器装备拥有感应更加灵敏的“器官”和“皮肤”，优化并升级作战性能。

　　此外，数字超材料还在智能穿戴、侦察、高性能全光计算等领域也展现出广阔的应用前景，可为促进武器装备和部队训练的转型升级提供技术支撑。

编辑：迟语洋

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