不一樣的炫酷！超材料與自然材料的融合：非金屬基超常電磁介質

融合

進入21 世紀以來，超材料(metamaterials) 作為一種新的概念進入了人們的視野，引起了科技界、工業界和軍工界的廣泛關注，並成為跨越物理學、材料科學和信息科學等學科的活躍的研究前沿。

」Metamaterial" 一詞是由美國得州大學奧斯汀分校Rodger M. Walser 教授於1999年提出的，用來描述自然界不存在的、人工製造的、三維的、具有周期性結構的複合材料。2000 年以後，這一概念越來越頻繁地出現在各類科學文獻中，並迅速發展出跨越電磁學、物理學、材料科學等學科的前沿交叉學科和公認的新型功能材料分支。但目前對」metamaterial" 一詞還沒有一個嚴格的、權威的定義，各種不同的文獻上給出的定義也各不相同。一般都認為」metamaterial" 是」具有自然材料所不具備的超常物理性質的人工材料"，具有3 個重要特徵：通常是具有新奇人工結構的複合材料；具有超常的物理性質；其性質往往不來源於構成該人工結構的材料自身，而僅僅決定於其中的人工結構。迄今已發展出的」metamaterial" 系統包括：左手材料(left-handed media)、隱身衣(invisible cloak)、非正定介質(inde-nitemedia) 等。

超材料研究的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現出的革命性應用前景，使其得到了世界各國的密切關注，並且發達國家政府都投入了大量的財力開展相關的研究。2008 年，超材料被《今日材料》雜誌評選為材料科學領域」50 年中的10項重大成果" 之一。2010 年，美國《科學》雜誌又將超材料列為21 世紀前10 年自然科學領域的10 項重大突破之一。

超材料研究是一項意義深遠的前沿課題。當代科學技術進步和經濟發展越來越依賴於材料性能的提高。而常規材料的性能主要取決於材料的自然結構，包括原子結構、電子結構、分子結構、化學鍵結構、晶體結構、晶粒{晶粒晶界結構等。隨著材料科學和技術的進步，對這些結構的操控能力逐漸增強，材料的性能不斷提高，越來越趨近於材料的自然極限。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發展中迫在眉睫的問題。

從材料學的角度看，超材料的設計摒棄了基於自然結構的材料基因，而通過人工結構重構材料基因。因此，」超材料" 的重要意義不僅僅體現在幾類新奇的人工材料，它更提供了一種全新的思維方法，並為新型功能材料的設計提供了一個廣闊的空間：昭示人們可以在不違背基本的物理學基本規律的前提下，獲得與自然材料具有迥然不同的超常物理性質的」新物質"。這為發展新型功能材料提供了一種新的途徑。常規材料的性質主要決定於構成材料的基本單元及其結構，如原子、分子、電子、價鍵、晶格等。這些單元和結構之間相互關聯，相互影響。因此，在材料的設計中需要考慮多種複雜的因素，這些因素的相互影響也往往是決定材料性能極限的原因。而將」超材料" 作為結構單元，則可望簡化影響材料的因素，進而打破制約自然材料功能的極限，發展出自然材料所無法獲得的新型功能材料。

眾所周知，人類漫長的文明演進過程正是以材料的使用為標誌的。按照歷史唯物主義的觀點，人類從類人猿進化出來的起點是舊石器時代，這個時代人們學會了使用天然材料；此後的新石器時代，人們開始學習掌握天然材料的加工技術；而到了青銅器時代，人們開始掌握從天然材料進一步合成新材料的技術，直到今天。這些合成材料是符合天然材料構造規律的材料，仍屬於常規材料。而超材料的出現，則標誌著一個新的歷史紀元的開始。

如果把材料簡單地劃分為常規材料和超材料，可以看出這兩類材料的界限是非常清晰的，無論是構造方法還是構造形式都完全不同。各自的優勢和劣勢不同|| 常規材料來自自然，易於獲得而難於設計；超材料正好相反，易於設計，但在很多情況下卻難於獲得。為此我們提出了超材料與常規(自然) 材料融合的思想，旨在獲得兼具超材料和自然材料優勢的新型功能材料系統。這套專著正是在這種思想指導下的一些新型材料的設計與構築實踐。

作為第一部分，我們嘗試利用自然材料的某些功能與結構，使其融合到超材料中，以解決常規的金屬基超材料的高損耗、複雜結構、各向異性等問題。

超材料的主流技術是基於英國科學家Pendry 提出的LC 諧振單元陣列的金屬圖形結構。其中最為典型的人工結構單元的是Pendry 提出的金屬開口諧振環(split ring resonators，SRRs)[3] 及其衍生結構(如- 型結構、U 型結構、雙棒結構、漁網結構等)。隨著超材料技術的發展，這類技術面臨一系列挑戰，如加工技術問題、物理學極限、材料學困難、各向異性問題以及可調性問題等。

近年來，我們試圖將常規功能材料融合超材料系統突破上述問題。在國家「863」計劃和國家自然科學基金重點項目等的支持下，我們在國際上率先開展了非金屬基超材料的研究。我們從探索非金屬材料和結構中的超常電磁響應的基本原理出發，利用非金屬材料中豐富的電磁極化機制，初步建立了非金屬基超材料的基本理論和設計原則，先後發展出了基於Mie 諧振、鐵磁共振、晶格諧振、電子電磁偶極躍遷、強各向異性等機制的新型超材料和超常介質，降低了超材料的損耗，簡化了材料結構，賦予材料以可調性，實現了與電子元器件技術的兼容，並在一定程度上解決了高頻超材料難於設計和難於製備的難題，拓展了通過人工電磁結構與功能材料融合提高超材料性能、簡化結構的途徑。

本文摘編自周濟等著《超材料與自然材料的融合（第一卷） 非金屬基超常電磁介質》文前部分（北京：科學出版社,2016.12），內容有刪節。

ISBN 978-7-03-051598-8

責任編輯：魯永芳

超材料指的是一大類具有自然材料所不具備的超常物理性質的人工材料，同時也提供了一種構造具有超常功能材料的新方法。作者提出了超材料與自然材料融合的思想，旨在獲得兼具超材料和自然材料優勢的新型功能材料系統。這套專著是在這種思想指導下的一些新型材料的設計與構築實踐。本卷內容總結了作者課題組近年來在非金屬基超常電磁介質構造方面的工作，即利用非金屬自然材料的某些功能與結構，使其融合到超材料當中，以解決常規的金屬基超材料的高損耗、複雜結構、各向異性等問題。重點介紹了一些典型非金屬基超常介質的構築原理、設計方法和研究結果。

《超材料與自然材料的融合（第一卷） 非金屬基超常電磁介質》可作為從事功能材料與器件，特別是超材料、超常電磁介質、新型電磁器件研究和開發的科學工作者、工程技術人員、研究生參考閱讀，也可作為材料科學與工程、電子科學與技術、光學等專業的高年級本科生、碩士研究生和博士研究生的有關課程的參考書。

（本期責編：王芳）

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