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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(píng)選出了本世紀(jì)首個(gè)10年內(nèi)的10項(xiàng)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(xiàng)成就中占有了一席之地。在評(píng)選中，專家指出，“超材料研究通過(guò)合成具有非常規(guī)和光學(xué)性質(zhì)可調(diào)的材料，物理學(xué)家和工程師開拓了引導(dǎo)和操縱光線、制造可挑戰(zhàn)分辨率極限透鏡的新方法。人們甚至已經(jīng)開始研制令物體無(wú)法被看見(jiàn)的‘隱形斗篷’�！�
現(xiàn)在，越來(lái)越多的中國(guó)科研人員加入了“超材料”的研究行列，《科技導(dǎo)報(bào)》采訪了致力于在中國(guó)推動(dòng)超材料研究的周濟(jì)教授，為我們揭秘神奇的“超材料”。
《科技導(dǎo)報(bào)》：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(guó)內(nèi)的?
周濟(jì)：超材料指的是通過(guò)人工設(shè)計(jì)基本功能基元實(shí)現(xiàn)超常性質(zhì)的人工材料。也就是說(shuō)，超材料是這樣一類材料，他們有奇特的物理性質(zhì)，而這些來(lái)自于其中的人工結(jié)構(gòu)，而非構(gòu)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(guó)內(nèi)較早開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(guó)內(nèi)早起開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(guī)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(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間一直困擾于自然材料中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及其相互影響對(duì)材料性能的制約，使得材料設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜而缺乏準(zhǔn)確性。20世紀(jì)90年代起，我們就思考能否通過(guò)人工設(shè)計(jì)的功能單元重構(gòu)材料來(lái)簡(jiǎn)化、純化材料設(shè)計(jì)，以突破自然材料在設(shè)計(jì)和性能提高方面的困境。我們?cè)趪?guó)內(nèi)較早開展光子晶體研究，這種材料通過(guò)光波長(zhǎng)尺度的周期結(jié)構(gòu)獲得奇異的光學(xué)性質(zhì)，以及晶格層次的人工設(shè)計(jì)，但同時(shí)也在思考如何能實(shí)現(xiàn)“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(dāng)時(shí)國(guó)外學(xué)術(shù)界對(duì)metamaterials 的理解還有點(diǎn)狹隘。因?yàn)樵缙陂_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(shè)計(jì)思想可能對(duì)材料科學(xué)帶來(lái)的沖擊。他們中很多人認(rèn)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(shè)計(jì)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(nèi)涵，目前國(guó)際上已經(jīng)接受了我們這種理解，一個(gè)標(biāo)志就是維基百科上對(duì)超材料定義的一次次更新，其范疇不斷擴(kuò)展，目前的定義基本上就是我們當(dāng)初提出的定義。我們當(dāng)時(shí)之所以將metamaterial譯成“超材料”，一是參考了國(guó)外一些學(xué)者對(duì)這一名詞含義的詳細(xì)闡述，另外也為了凸顯我們所認(rèn)識(shí)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(zhēng)議，但最終這個(gè)名詞還是被接受了。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)也有一些相關(guān)的研究，如國(guó)際電磁科學(xué)院院長(zhǎng)孔金甌教授在浙江大學(xué)有一個(gè)課題組，專門開展metamaterial的研究，只是他們沒(méi)有將其稱為“超材料”，而稱其為“異向介質(zhì)”。所以說(shuō)，超材料并非我們引進(jìn)國(guó)內(nèi)的，我們?cè)缙诘呢暙I(xiàn)主要體現(xiàn)在通過(guò)對(duì)“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。《科技導(dǎo)報(bào)》：超材料有什么特性，與一般的復(fù)合材料相比有什么不同之處?
周濟(jì)：我們一直認(rèn)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(gòu)材料，獲得很多我們預(yù)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(gòu)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(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)的基本單元結(jié)構(gòu)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(fù)合材料的關(guān)系和區(qū)別就可以凸顯出來(lái)了。他們的區(qū)別在于材料設(shè)計(jì)的方法論。超材料著眼于材料基本功能基元的人工設(shè)計(jì)與構(gòu)筑，復(fù)合材料著眼于通過(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(dāng)然，超材料與復(fù)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(rèn)為是復(fù)合材料，但不是相互包含或覆蓋的關(guān)系。
《科技導(dǎo)報(bào)》：超材料的這些獨(dú)特之處帶來(lái)了哪些神奇的特性?
正因?yàn)槌牧显谠O(shè)計(jì)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(fù)折射。負(fù)折射材料在20世紀(jì)60年代被俄羅斯科學(xué)家瓦斯拉格提出時(shí)，大家把它當(dāng)成一種科學(xué)幻想，但到了20世紀(jì)90年代，英國(guó)科學(xué)家潘德瑞提出了用“人工原子”構(gòu)成的超材料可能實(shí)現(xiàn)，到2000年美國(guó)科學(xué)家史密斯等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這類材料從夢(mèng)想走到現(xiàn)實(shí)。這一現(xiàn)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(xiàn)象，光的折射可以為負(fù)，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(fù)折射只是超材料所提供的新功能的冰山一角，隨著進(jìn)一步的研究，可能會(huì)構(gòu)造出更多、更神奇的物理現(xiàn)象。
目前對(duì)電磁超材料、特別是針對(duì)電磁調(diào)控性質(zhì)的研究比較多，除具有負(fù)折射的左手材料外，較受關(guān)注的還有能實(shí)現(xiàn)完美隱身的隱身斗篷，簡(jiǎn)單的材料包括各種單負(fù)(負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率)材料、超高介電常數(shù)和磁導(dǎo)率、零折射率材料、零介電常數(shù)和磁導(dǎo)率材料，復(fù)雜的則可能通過(guò)宏觀體系構(gòu)造出各種類量子現(xiàn)象。
《科技導(dǎo)報(bào)》：超材料具有的這些特性，使得它在哪些方面有特殊應(yīng)用呢?隱身斗篷和隱身戰(zhàn)機(jī)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(yīng)用?
周濟(jì)：這些特性的用途非常廣泛，很難用幾句話進(jìn)行概述。隱身斗篷和隱身戰(zhàn)斗機(jī)都是很好的應(yīng)用例子，理論上講可以通過(guò)超材料實(shí)現(xiàn)沒(méi)有任何陰影的隱身，這是其他任何材料也無(wú)法達(dá)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(fù)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(duì)任何微細(xì)圖形進(jìn)行多次復(fù)制，這對(duì)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)繞線電感。
我們都知道電感器必須有一個(gè)線圈結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在電子元件越做越小，線圈這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就成了元件小型化的難點(diǎn)，我們?cè)?007年提出了利用負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)構(gòu)造無(wú)繞線電感，只用一個(gè)一個(gè)電容結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)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。
類似的例子還很多，像我們現(xiàn)在正在做的一個(gè)事情，利用超材料中的模態(tài)耦合構(gòu)造無(wú)光學(xué)非線性過(guò)程參與的全光調(diào)制，可能會(huì)獲得高響應(yīng)速度、低閾值的全光開關(guān)，這個(gè)器件可能推動(dòng)全光信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
《科技導(dǎo)報(bào)》：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(jì)：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。隨著超材料功能的拓展，一些新的超材料還涉及到了力學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)領(lǐng)域。從應(yīng)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(qiáng)調(diào)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(shè)計(jì)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(xiàn)人工結(jié)構(gòu)的加工，涉及的問(wèn)題是諸如納米加工一類的工藝問(wèn)題。但超材料發(fā)展到今天，情況應(yīng)該有所變化。超材料研究最終目標(biāo)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)路線上。我們注意到，一些頂級(jí)雜志(如《Science》)上發(fā)表的關(guān)于超材料的文章都?xì)w類到“材料科學(xué)”這個(gè)欄目之下，國(guó)內(nèi)外一些科技計(jì)劃中也都將超材料納入到材料科學(xué)的范疇。這一轉(zhuǎn)變意味著一個(gè)趨勢(shì)，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(guī)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(dǎo)報(bào)》：目前相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)研究發(fā)展到了何種階段?是否已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平?
周濟(jì)：從基礎(chǔ)研究看，中國(guó)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(dāng)年是超材料領(lǐng)域最早的開拓者之一，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(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)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(guó)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(guó)際上在超材料領(lǐng)域最大的知識(shí)產(chǎn)權(quán)擁有者。
從總體研究水平上看，我認(rèn)為還不能說(shuō)國(guó)內(nèi)的研究水平在國(guó)際上領(lǐng)先，因?yàn)檎嬲瓌?chuàng)的思想和成果在國(guó)際上還不是最多的。在產(chǎn)業(yè)化方面，從規(guī)模和專利擁有上看，光啟的確是走在世界前列。國(guó)外的超材料應(yīng)用很大比重在軍工上，具體情況尚不清楚。
《科技導(dǎo)報(bào)》：中國(guó)領(lǐng)先其他國(guó)家首先發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語(yǔ)》，其意義和影響有哪些?
周濟(jì)：對(duì)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行規(guī)范十分重要，特別是對(duì)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(rèn)識(shí)，就很難進(jìn)一步開展研究、開發(fā)、立項(xiàng)等。就metamaterial 這個(gè)概念自身來(lái)說(shuō)，到底是從結(jié)構(gòu)上定義還是從功能上定義，國(guó)際上也有不同標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)去人們一直認(rèn)為只有通過(guò)人工結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)諸如負(fù)折射這樣的性質(zhì)，后來(lái)我們?cè)谧匀徊牧现邪l(fā)現(xiàn)了非正定介電常數(shù)和全角負(fù)折射，國(guó)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?xì)w類到超材料的范圍，非常不嚴(yán)謹(jǐn)。因此，我們國(guó)家率先制定了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)規(guī)范社會(huì)對(duì)超材料的認(rèn)識(shí)、對(duì)國(guó)際上這個(gè)學(xué)科的發(fā)展、以及提升我們國(guó)家在中國(guó)新學(xué)科的地位都很有意義。當(dāng)然，名詞的標(biāo)準(zhǔn)還只是一個(gè)開始，我想更重要的是今后超材料產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，這對(duì)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(dǎo)報(bào)》：在“十三五”規(guī)劃中，超材料具有哪些發(fā)展戰(zhàn)略?
周濟(jì)：很多重大的科技和產(chǎn)業(yè)計(jì)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(jì)劃，包括《中國(guó)制造2025》，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等都有反映。這說(shuō)明中國(guó)對(duì)這一新的方向是非常重視。
《科技導(dǎo)報(bào)》：請(qǐng)您預(yù)測(cè)下超材料研究的未來(lái)發(fā)展方向?
周濟(jì)：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(yīng)用，產(chǎn)生為數(shù)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(duì)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(duì)材料科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的深遠(yuǎn)影響。從材料科學(xué)的角度看，“超材料”的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了幾類新型人工材料，它提供了一種全新的材料獲取方法，即針對(duì)需求進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，通過(guò)構(gòu)造“人工材料基因”來(lái)構(gòu)建材料的功能。當(dāng)代技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越依賴材料性能的提高。而常規(guī)材料的性能主要取決于材料的自然結(jié)構(gòu)，包括原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、晶粒-晶粒晶界結(jié)構(gòu)等。隨著材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)這些結(jié)構(gòu)操控能力逐漸增強(qiáng)，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(guī)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(xiàn)，則可能為解決這一問(wèn)題打開大門，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，人類將可望成為材料的“造物主”。如果把目光放遠(yuǎn)點(diǎn)，我們可以看到在人類漫長(zhǎng)的文明進(jìn)程中，材料一直是重要的里程碑。人類因?qū)W會(huì)使用天然材料，實(shí)現(xiàn)了由猿到人飛躍，進(jìn)入了舊石器時(shí)代;因?qū)W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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