从艺术的角度诠释超材料 | Engineering

超材料是21世纪初的新兴学科，在基础科学与工程应用领域受到广泛关注。近日，来自清华大学的研究者在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Metamaterials: The Art in Materials Science”（材料科学中的艺术——超材料）的综述文章，从艺术这一独特视角对超材料这一新兴学科进行了全面系统的综述。

中国工程院院士、清华大学周济教授和孙竞博副教授共同撰写了有关超材料这一新兴科技领域的综述文章。与以往综述文章不同的是，作者从艺术的角度对超材料加以诠释，通过与艺术进行对比，回顾过去20余年超材料领域取得的重要进展，并对该领域的未来发展进行展望，向读者传递“超材料”这一材料学中的艺术的新理念。

图中所示左手超材料由带有铜结构的超原子组成。铜本身只有在光束入射到其表面上时才能显示出强烈的反射。然而，一旦铜被制成分别具有负介电常数和负磁导率的金属线和开口环谐振器（SRRs）时，所组成的超材料就会表现出负折射率，这是一种在自然界中不存在的现象。   

超材料指的是由通过人工设计的结构基元构成的具有自然材料所不具有的超常属性的人工材料。虽发展至今仅有20余年，但其研究领域已拓展至诸多物理学领域，并对工程技术应用产生重大影响。作者之所以将超材料比作材料科学中的艺术，是因为超材料研究充满了创造性。如同艺术源于生活而高于生活，超材料有常规超材料构成，却可以通过人的设计与创造，获得超常的材料属性。

文中提出，超材料研究的关键在于如何实现“超”，而实现这一过程就如同艺术创作一样，打破常规、无拘无束，充分发挥人的设计以实现超常、超强与超能的新材料。在其发展过程中，微观上所表现出的设计方法、设计理念及其蓬勃发展的20年中所表现出的宏观发展规律，与艺术创作的发展相比，均表现出诸多相似性。从结果看，超材料所实现的是几千年来存在于艺术层面而无法实现的设想，如“隐身衣”。

最后，作者从基础研究、智能应用、人工智能以及工程化等角度对超材料的未来发展方向进行了展望，着重阐述了超材料向工程应用发展的必要性以及目前存在的挑战，提出将超材料从“艺术品”向“工艺品”转变，从实验室中的精雕细刻到工业化大规模生产，实现生产力的变革，推动人类社会的进步。