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淺談超材料研究拓展材料科學(xué)視野的論文
在2010 年，《Science》雜志審視了進(jìn)入新千年以來(lái)的那些改變科學(xué)面貌的進(jìn)步，評選出了本世紀首個(gè)10年內的10項重大科學(xué)成就。其中大部分成就集中在生命科學(xué)領(lǐng)域，然而讓材料學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家眼前一亮的，則是“超材料”在這10 項成就中占有了一席之地。在評選中，專(zhuān)家指出，“超材料研究通過(guò)合成具有非常規和光學(xué)性質(zhì)可調的材料，物理學(xué)家和工程師開(kāi)拓了引導和操縱光線(xiàn)、制造可挑戰分辨率極限透鏡的新方法。人們甚至已經(jīng)開(kāi)始研制令物體無(wú)法被看見(jiàn)的‘隱形斗篷’�！�
現在，越來(lái)越多的中國科研人員加入了“超材料”的研究行列，《科技導報》采訪(fǎng)了致力于在中國推動(dòng)超材料研究的周濟教授，為我們揭秘神奇的“超材料”。
《科技導報》：究竟什么是超材料呢，您是如何接觸到超材料相關(guān)研究并將之引入國內的?
周濟：超材料指的是通過(guò)人工設計基本功能基元實(shí)現超常性質(zhì)的人工材料。也就是說(shuō)，超材料是這樣一類(lèi)材料，他們有奇特的物理性質(zhì)，而這些來(lái)自于其中的人工結構，而非構成它們的原材料。
首先說(shuō)明一下，雖然說(shuō)我們這個(gè)研究小組是在國內較早開(kāi)展超材料研究的小組之一，說(shuō)這個(gè)方向是我們引進(jìn)的是不符合事實(shí)的，國內早起開(kāi)展超材料研究的課題組有若干個(gè)。從我們這個(gè)組的情況看，從常規材料走向超材料有一定的必然性。我本人多年從事材料研究，在相當長(cháng)的時(shí)間一直困擾于自然材料中復雜的結構及其相互影響對材料性能的制約，使得材料設計變得十分復雜而缺乏準確性。20世紀90年代起，我們就思考能否通過(guò)人工設計的功能單元重構材料來(lái)簡(jiǎn)化、純化材料設計，以突破自然材料在設計和性能提高方面的困境。我們在國內較早開(kāi)展光子晶體研究，這種材料通過(guò)光波長(cháng)尺度的周期結構獲得奇異的光學(xué)性質(zhì)，以及晶格層次的人工設計，但同時(shí)也在思考如何能實(shí)現“人工原子”和“人工分子”。后來(lái)，人們提出了metamaterials的概念，我們感覺(jué)到與我們的思路不謀而合。但當時(shí)國外學(xué)術(shù)界對metamaterials 的理解還有點(diǎn)狹隘。因為早期開(kāi)展這一工作的科學(xué)家主要是來(lái)自電子學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域，他們的著(zhù)眼點(diǎn)是metamaterial 所帶來(lái)的超常性能，他們沉浸于這種新性能所帶來(lái)的興奮，而較少去關(guān)注這種設計思想可能對材料科學(xué)帶來(lái)的沖擊。他們中很多人認為metamaterial指的就是左手材料，并不包括光子晶體等材料。我們是較早進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的材料科學(xué)工作者，跟他們的視角有所不同，我們看到的是metamaterial這一新概念在材料設計的方法論意義，并大膽的將其譯為“超材料”，這一概念具有更寬的內涵，目前國際上已經(jīng)接受了我們這種理解，一個(gè)標志就是維基百科上對超材料定義的一次次更新，其范疇不斷擴展，目前的定義基本上就是我們當初提出的定義。我們當時(shí)之所以將metamaterial譯成“超材料”，一是參考了國外一些學(xué)者對這一名詞含義的詳細闡述，另外也為了凸顯我們所認識到的這一概念的方法論價(jià)值。這個(gè)譯法顯得“很大”，也遇到了一些爭議，但最終這個(gè)名詞還是被接受了。當時(shí)國內也有一些相關(guān)的研究，如國際電磁科學(xué)院院長(cháng)孔金甌教授在浙江大學(xué)有一個(gè)課題組，專(zhuān)門(mén)開(kāi)展metamaterial的研究，只是他們沒(méi)有將其稱(chēng)為“超材料”，而稱(chēng)其為“異向介質(zhì)”。所以說(shuō)，超材料并非我們引進(jìn)國內的，我們早期的貢獻主要體現在通過(guò)對“超材料”這一概念的闡述并挖掘出它在材料科學(xué)方法論方面的意義和價(jià)值�！犊萍紝蟆罚撼牧嫌惺裁刺匦�，與一般的復合材料相比有什么不同之處?
周濟：我們一直認為，超材料的重要意義不在于其特性而在于其方法，利用這一方法可以重構材料，獲得很多我們預期的新性質(zhì)，包括自然材料具有的和不具有的性質(zhì)。世界是物質(zhì)構成的，物質(zhì)因有不同性質(zhì)而豐富多彩。我們能夠通過(guò)人工方法，重構決定物質(zhì)性質(zhì)的基本單元結構獲得我們所期待的性質(zhì)，我們就能夠成為“造物主”，這就是超材料的神奇之處。
從這一點(diǎn)上看，超材料與復合材料的關(guān)系和區別就可以凸顯出來(lái)了。他們的區別在于材料設計的方法論。超材料著(zhù)眼于材料基本功能基元的人工設計與構筑，復合材料著(zhù)眼于通過(guò)多組分材料在不同層次上混合、協(xié)同、耦合等獲得新的性能。當然，超材料與復合材料可能會(huì )有一些交疊，一些超材料從組成上看可以認為是復合材料，但不是相互包含或覆蓋的關(guān)系。
《科技導報》：超材料的這些獨特之處帶來(lái)了哪些神奇的特性?
正因為超材料在設計方面有非常廣闊的自由度，因此能夠發(fā)展出許許多多非常奇異的、超越自然界材料的新特性。最典型的例子是負折射。負折射材料在20世紀60年代被俄羅斯科學(xué)家瓦斯拉格提出時(shí)，大家把它當成一種科學(xué)幻想，但到了20世紀90年代，英國科學(xué)家潘德瑞提出了用“人工原子”構成的超材料可能實(shí)現，到2000年美國科學(xué)家史密斯等實(shí)驗驗證，這類(lèi)材料從夢(mèng)想走到現實(shí)。這一現象完全顛覆了經(jīng)典電磁學(xué)所描述的世界，衍生出很多意想不到的新現象，光的折射可以為負，倏逝波可以被放大，波的傳播方向和能量方向可以相反。這樣一些離經(jīng)叛道的推論曾經(jīng)備受學(xué)界的質(zhì)疑，但最后都一一被證實(shí)了。其實(shí)負折射只是超材料所提供的新功能的冰山一角，隨著(zhù)進(jìn)一步的研究，可能會(huì )構造出更多、更神奇的物理現象。
目前對電磁超材料、特別是針對電磁調控性質(zhì)的研究比較多，除具有負折射的左手材料外，較受關(guān)注的還有能實(shí)現完美隱身的隱身斗篷，簡(jiǎn)單的材料包括各種單負(負介電常數、負磁導率)材料、超高介電常數和磁導率、零折射率材料、零介電常數和磁導率材料，復雜的則可能通過(guò)宏觀(guān)體系構造出各種類(lèi)量子現象。
《科技導報》：超材料具有的這些特性，使得它在哪些方面有特殊應用呢?隱身斗篷和隱身戰機等都是利用它的什么特性?除了軍工領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域超材料有什么樣的應用?
周濟：這些特性的用途非常廣泛，很難用幾句話(huà)進(jìn)行概述。隱身斗篷和隱身戰斗機都是很好的應用例子，理論上講可以通過(guò)超材料實(shí)現沒(méi)有任何陰影的隱身，這是其他任何材料也無(wú)法達到的。
再舉兩個(gè)在信息技術(shù)方面的例子，一個(gè)是利用負折射材料可以獲得沒(méi)有衍射極限的透鏡，一旦有了這種透鏡，則可能對任何微細圖形進(jìn)行多次復制，這對微電子技術(shù)將產(chǎn)生重要影響;另一個(gè)例子是我們提出的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的小發(fā)明，無(wú)繞線(xiàn)電感。
我們都知道電感器必須有一個(gè)線(xiàn)圈結構，現在電子元件越做越小，線(xiàn)圈這種復雜的結構就成了元件小型化的難點(diǎn)，我們在2007年提出了利用負介電常數介質(zhì)構造無(wú)繞線(xiàn)電感，只用一個(gè)一個(gè)電容結構就能實(shí)現電感功能，使電路大大簡(jiǎn)化，集成度大大提高，解決了無(wú)源元件集成的大問(wèn)題。
類(lèi)似的例子還很多，像我們現在正在做的一個(gè)事情，利用超材料中的模態(tài)耦合構造無(wú)光學(xué)非線(xiàn)性過(guò)程參與的全光調制，可能會(huì )獲得高響應速度、低閾值的全光開(kāi)關(guān)，這個(gè)器件可能推動(dòng)全光信息技術(shù)的廣泛應用。
《科技導報》：目前看來(lái)超材料是一個(gè)多學(xué)科充分交叉的學(xué)科，它的研究具體需要哪些學(xué)科的相互促進(jìn)研究?周濟：超材料的確涉及了很多學(xué)科。過(guò)去一些年發(fā)展比較快的電磁超材料涉及了物理學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)及化學(xué)等領(lǐng)域。隨著(zhù)超材料功能的拓展，一些新的超材料還涉及到了力學(xué)、數學(xué)、生物學(xué)等基礎領(lǐng)域。從應用層面上看可能會(huì )涉及一些工程科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域。
我想特別強調超材料與材料科學(xué)的關(guān)系。超材料早期的發(fā)展跟材料科學(xué)的關(guān)系并沒(méi)有像電子學(xué)和物理學(xué)那樣密切，物理學(xué)家或電子科學(xué)家提出材料的設計思想，而材料科學(xué)所發(fā)揮的作用和化學(xué)相似，是一種工具，即如何實(shí)現人工結構的加工，涉及的問(wèn)題是諸如納米加工一類(lèi)的工藝問(wèn)題。但超材料發(fā)展到今天，情況應該有所變化。超材料研究最終目標是發(fā)展具有優(yōu)異性能的材料，這正是材料科學(xué)家的夢(mèng)想。只不過(guò)是材料研究的主流并不在這個(gè)路線(xiàn)上。我們注意到，一些頂級雜志(如《Science》)上發(fā)表的關(guān)于超材料的文章都歸類(lèi)到“材料科學(xué)”這個(gè)欄目之下，國內外一些科技計劃中也都將超材料納入到材料科學(xué)的范疇。這一轉變意味著(zhù)一個(gè)趨勢，就是需要更多的懂材料的人將超材料引入到材料研究。超材料在研究方法和科學(xué)體系上看與常規材料科學(xué)的確有很大的不同，這種跨界研究目前還不多，這也是我們正在推進(jìn)的一個(gè)方向。
《科技導報》：目前相關(guān)領(lǐng)域的國內研究發(fā)展到了何種階段?是否已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平?
周濟：從基礎研究看，中國的超材料研究有一些較有影響的工作。已故的孔金甌教授當年是超材料領(lǐng)域最早的開(kāi)拓者之一，近年來(lái)浙江大學(xué)、東南大學(xué)、南京大學(xué)、香港科技大學(xué)、復旦大學(xué)、同濟大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)及清華大學(xué)的一些研究組都有一些在國際上有影響的工作。在產(chǎn)業(yè)化方面，深圳光啟研究院做得非常出色，成為國際上在超材料領(lǐng)域最大的知識產(chǎn)權擁有者。
從總體研究水平上看，我認為還不能說(shuō)國內的研究水平在國際上領(lǐng)先，因為真正原創(chuàng )的思想和成果在國際上還不是最多的。在產(chǎn)業(yè)化方面，從規模和專(zhuān)利擁有上看，光啟的確是走在世界前列。國外的超材料應用很大比重在軍工上，具體情況尚不清楚。
《科技導報》：中國領(lǐng)先其他國家首先發(fā)布了國家標準《電磁超材料術(shù)語(yǔ)》，其意義和影響有哪些?
周濟：對術(shù)語(yǔ)進(jìn)行規范十分重要，特別是對于超材料這樣一個(gè)新的、廣受關(guān)注的新領(lǐng)域。就連超材料的基本定義和范疇大家都有不同認識，就很難進(jìn)一步開(kāi)展研究、開(kāi)發(fā)、立項等。就metamaterial 這個(gè)概念自身來(lái)說(shuō)，到底是從結構上定義還是從功能上定義，國際上也有不同標準。過(guò)去人們一直認為只有通過(guò)人工結構才能實(shí)現諸如負折射這樣的性質(zhì)，后來(lái)我們在自然材料中發(fā)現了非正定介電常數和全角負折射，國外也有人跟進(jìn)，仍把他們看成是metamaterials。更有人望文生義，甚至把石墨烯等天然材料都歸類(lèi)到超材料的范圍，非常不嚴謹。因此，我們國家率先制定了這個(gè)標準，對規范社會(huì )對超材料的認識、對國際上這個(gè)學(xué)科的發(fā)展、以及提升我們國家在中國新學(xué)科的地位都很有意義。當然，名詞的標準還只是一個(gè)開(kāi)始，我想更重要的是今后超材料產(chǎn)品的標準化，這對于今后相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展會(huì )有更重要的意義。
《科技導報》：在“十三五”規劃中，超材料具有哪些發(fā)展戰略?
周濟：很多重大的科技和產(chǎn)業(yè)計劃中都涉及了超材料，包括“十三五”將要重點(diǎn)推進(jìn)的100個(gè)重大計劃，包括《中國制造2025》，以及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等都有反映。這說(shuō)明中國對這一新的方向是非常重視。
《科技導報》：請您預測下超材料研究的未來(lái)發(fā)展方向?
周濟：我想超材料研究未來(lái)的發(fā)展方向包括兩個(gè)方面，一是奇異功能在眾多領(lǐng)域的應用，產(chǎn)生為數眾多的新器件和新技術(shù)，其中很多技術(shù)都是顛覆性技術(shù)，將對很多產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。第二個(gè)方向是我更關(guān)注的方向，那就是超材料對材料科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的深遠影響。從材料科學(xué)的角度看，“超材料”的意義遠遠超越了幾類(lèi)新型人工材料，它提供了一種全新的材料獲取方法，即針對需求進(jìn)行逆向設計，通過(guò)構造“人工材料基因”來(lái)構建材料的功能。當代技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展越來(lái)越依賴(lài)材料性能的提高。而常規材料的性能主要取決于材料的自然結構，包括原子結構、電子結構、分子結構、化學(xué)鍵結構、晶體結構、晶粒-晶粒晶界結構等。隨著(zhù)材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，對這些結構操控能力逐漸增強，材料的性能不斷提高，越來(lái)越趨近于材料的自然極限。因此，探索突破常規功能材料自然極限的新途徑已成為材料科學(xué)發(fā)展中迫在眉睫的問(wèn)題。而超材料的出現，則可能為解決這一問(wèn)題打開(kāi)大門(mén)，進(jìn)而打破制約自然材料功能的極限，發(fā)展出自然材料所無(wú)法獲得的新型功能材料，人類(lèi)將可望成為材料的“造物主”。如果把目光放遠點(diǎn)，我們可以看到在人類(lèi)漫長(cháng)的文明進(jìn)程中，材料一直是重要的里程碑。人類(lèi)因學(xué)會(huì )使用天然材料，實(shí)現了由猿到人飛躍，進(jìn)入了舊石器時(shí)代;因學(xué)會(huì )加工材料而進(jìn)入了新石器時(shí)代;因發(fā)明材料合成的方法而進(jìn)入青銅器時(shí)代。今天，人類(lèi)正在進(jìn)入超材料時(shí)代，能自己創(chuàng )造材料，就能創(chuàng )造一個(gè)嶄新的世界。
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