【行业前沿】超材料的无限可能

在科技飞速发展的当下，有一种材料正悄然崛起，打破传统材料性能的桎梏，重塑我们对物理世界的认知，悄然撬动着军事、医疗、通信等诸多领域的变革杠杆，它就是超材料。今天，就让我们跨越理论与现实的门槛，近距离接触这神奇的超材料，见证它如何重塑我们周遭的世界，一同深入领略这一前沿科技领域的独特魅力与巨大潜力。

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超材料（Metamaterial）指的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复合材料。

通常由许多远小于目标波长的单元结构周期排布而成，这些单元结构也被称为人工“原子”。其性质主要取决于单元的结构以及单元结构的组合序，而非材料本身的成分。

可设计性：通过人工设计和制造，使微米或纳米级的结构单元按照特定的设计规则排列，从而实现各种不同的超常物理性能。

超常物理性能：具有自然界材料中所不具备的特性，如负折射率、隐身性能、超常透波性能等，这些特殊性能使其能够实现一些传统材料无法实现的功能。

- 1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格便提出了相关理论，预测了“反常”现象，但当时未得到足够重视

- 20世纪初，研究人员对“左手材料”产生了极大兴趣并开展了诸多研究

- 1995年，John M. Guerra制作了亚波长光栅实现了超分辨成像，是超透镜的雏形

- 1996、1999年John Pendry先后利用金属线阵列、开口谐振环做出了可调控相对介电常数和相对磁导率的超材料

- 2000年，David R. Smith等人首次做出了微波波段的负折射率材料

超材料的性质除了和使用的材料有点关系外，更主要取决于单元的结构以及单元结构的组合序，进而获得所需的介电常数以及磁导率。科学家通过设计结构单元尺寸，进行不同的组合序来控制材料的电磁响应，从而使超材料能够对光、电磁波等物理波产生特殊的调控作用，如让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲等。

左手材料：是一种具有负折射率的超材料，其介电常数和磁导率同时为负，会使电磁波的传播方向与能量传播方向相反，呈现出许多与常规材料不同的电磁特性，如反常折射、反常多普勒效应等。

光子晶体：是一种由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构材料，它能够控制光子的运动和传播，具有光子带隙、自准直、超棱镜等特性，在光通信、光计算、光学传感等领域有重要应用前景。

超磁性材料：具有超强的磁性响应，可用于制造高性能的磁传感器、磁存储器件等。

金属水：是一种通过特殊工艺将金属纳米颗粒分散在水中形成的超材料，具有独特的光学和电学性质，可用于生物医学成像、传感器等领域。

隐身伪装：超材料可通过对电磁波的特殊调控，使物体在雷达、红外等探测手段下实现隐身效果，这在军事领域具有重要意义，如制造隐身飞机、隐身舰艇等。

导航通讯：用于制造高性能的天线、滤波器等通信器件，可提高通信系统的性能和效率，如超材料天线能够实现更高的增益、更低的损耗和更宽的频带，增强通信信号的传输和接收能力。

成像识别：超材料可用于制造超透镜、高分辨率成像器件等，突破传统光学成像的极限，实现更高分辨率、更清晰的成像效果，在生物医学成像、遥感探测等领域有广阔的应用前景。

医疗领域：例如利用超材料的特殊电磁特性，可以开发出更高效的癌症治疗方法，如磁热疗、光热疗等；还可用于制造高灵敏度的生物传感器，用于疾病的早期检测和诊断。

能源领域：超材料可用于提高能源设备的性能和效率，如制造高效的太阳能电池、热电发电机等，还可用于能源存储和传输方面，如开发高性能的锂离子电池电极材料、超导材料等。

航空航天：可用于减轻结构重量、提高热防护性能、制造超轻卫星天线等，有助于提高航空航天飞行器的性能和可靠性。

国外发展：发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视，投入了大量人力和物力。美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，并专门启动了研究计划，美国最大的6家半导体公司还成立了联合基金资助相关研究；欧盟组织了顶尖科学家聚焦该领域研究，并给予高额经费支持；日本也出台了研究计划支持超材料技术的研究。

中国发展：我国已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术、介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面，我国企业取得了多项原创性成果，并在世界超材料产业化竞争中占到先机，如深圳光启公司在超材料领域申请了大量专利，并在产业化方面走在世界前列。

现有机构作出预测，超材料全球市场规模在2010-2020年间将以高达41%的年复合增长率发展。随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大，一个可带动诸如高速列车、新型地面行进装备、航空航天、国防科技、地面智能机器人等领域的千亿规模的超材料产业集群正在崛起。

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