周濟(jì)，李龍土

（清華大學(xué)材料學(xué)院，北京100084）

一、前言

超材料是世紀(jì)之交誕生的一個(gè)新的科學(xué)概念?；谶@一概念，在過(guò)去的十幾年中發(fā)展出了一系列具有奇異特性的新型人工材料系統(tǒng)，可望在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性技術(shù)。超材料技術(shù)被美國(guó)國(guó)防部列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究技術(shù)”之一，并先后被評(píng)選為材料科學(xué)領(lǐng)域“50年中的10項(xiàng)重大成果”之一和21世紀(jì)前10年10項(xiàng)重大突破之一 [1,2]。

“超材料”一詞最初由美國(guó)德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校Rodger M. Walser 教授提出，用來(lái)描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料[3]。盡管各種科學(xué)文獻(xiàn)給出的定義也各不相同，但一般都認(rèn)為“超材料”是具有通過(guò)人工結(jié)構(gòu)作為基本功能單元、能夠?qū)崿F(xiàn)自然材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工材料。近年來(lái)，典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等已在光學(xué)、通信、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域漸露頭角，而為數(shù)眾多的電磁超材料、力學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、熱學(xué)超材料以及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料相繼出現(xiàn)，形成了新材料的重要生長(zhǎng)點(diǎn)。

二、超材料的實(shí)現(xiàn)方法——以左手材料為例

左手材料是一類(lèi)典型的超材料，這類(lèi)材料的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料思想的形成起到了關(guān)鍵作用。

Pendry等[5]于1996年預(yù)言了由金屬線構(gòu)成的陣列可在諧振頻率附近產(chǎn)生出宏觀反常介電常數(shù)的性質(zhì)，1998年又提出通過(guò)人工設(shè)計(jì)具有開(kāi)口的金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)（SRR）陣列實(shí)現(xiàn)反常有效磁導(dǎo)率[6]?；谏鲜鏊悸罚?000年，Smith等[7,8]利用電路板加工方法，制備了金屬線與SRR結(jié)構(gòu)陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，直接觀測(cè)到了微波頻段的左手性電磁波透射通帶和負(fù)折射行為（見(jiàn)圖1）。

圖1 基于金屬線與SRR結(jié)構(gòu)陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)的左手材料

左手材料的實(shí)現(xiàn)改變了人們的一些固有觀念，昭示人們可以在不違背物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，通過(guò)人工功能單元的設(shè)計(jì)，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。從材料科學(xué)的角度看，超材料的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了左手材料等幾種人工材料本身，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)設(shè)計(jì)“人工材料基因”來(lái)構(gòu)建材料的功能。

三、若干重要研究和工程應(yīng)用進(jìn)展

超材料的重大科學(xué)價(jià)值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出革命性的應(yīng)用前景得到了世界各國(guó)政府、科技界、產(chǎn)業(yè)界，以及國(guó)防部門(mén)的密切關(guān)注。美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)了關(guān)于超材料的多項(xiàng)研究計(jì)劃，美國(guó)大型的半導(dǎo)體公司如英特爾、美國(guó)超威半導(dǎo)體（AMD）和國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）等也成立了聯(lián)合基金資助相關(guān)研究。歐盟組織了50多位頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費(fèi)支持。日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺(tái)了一項(xiàng)研究計(jì)劃，支持至少兩個(gè)關(guān)于超材料技術(shù)的研究項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)約為30億日元。超材料的研究和工程化應(yīng)用在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。

在電磁超材料方面，科學(xué)家對(duì)各種電磁諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)展出了多種基于金屬線和SRR環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工原子，并設(shè)計(jì)研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時(shí)，將微納加工技術(shù)引入到了超材料的制備，發(fā)展出了可在光學(xué)頻段下工作的各種超材料和器件。近年來(lái)，超材料也從電磁領(lǐng)域逐漸走向了力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及傳質(zhì)等領(lǐng)域，一系列具有超常性質(zhì)和奇異功能的新型超材料相繼問(wèn)世。

（一）超材料“隱身斗篷”

2006年，Pendry等[9]發(fā)表了關(guān)于設(shè)計(jì)電磁隱身衣的新方法。他們指出，具有特定磁導(dǎo)率和介電常數(shù)分布的超材料可以控制電磁波傳播，并干擾電磁波的傳播軌跡，使其發(fā)生彎曲。因此，可以利用電磁超材料制備的套型裝置，引導(dǎo)電磁波繞過(guò)目標(biāo)物體之后返回原始的傳播軌跡，給觀察者造成一種物體不存在的假象，可以使放置在其內(nèi)部的物體“隱身”，不被外界探測(cè)到。在此基礎(chǔ)上，Schurig等[10]對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了世界上首個(gè)超材料隱身衣，從隱身衣外部無(wú)法探測(cè)到隱身衣內(nèi)部物體的信息，實(shí)現(xiàn)了完美隱身。近年來(lái)，科學(xué)家對(duì)超材料隱身衣技術(shù)做了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，以期獲得隱身性能更好、頻帶更寬、超材料結(jié)構(gòu)更輕薄的超材料系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。

與傳統(tǒng)隱身技術(shù)相比，超材料隱身的特點(diǎn)是靠導(dǎo)引電磁波，而不是靠吸收電磁波，因此沒(méi)有目標(biāo)影子，是國(guó)防軍工領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，得到了各國(guó)軍工界的廣泛重視。目前，基于超材料隱身斗篷技術(shù)已開(kāi)始在軍事裝備中獲得應(yīng)用。

圖2 超材料隱身斗篷原理示意圖

（二）基于超材料的新型無(wú)源電子元器件

電磁介質(zhì)是無(wú)源電子元器件的材料基礎(chǔ)和技術(shù)核心。傳統(tǒng)的無(wú)源元件基于常規(guī)介質(zhì)材料，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為大于1的正值，且不會(huì)特別高。超材料技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有負(fù)值、超低或超高介電常數(shù)或磁導(dǎo)率的人工電磁介質(zhì)，為一些具有變革性的新型無(wú)源電子元器件的出現(xiàn)提供了條件。

天線是超材料應(yīng)用的較為成功的一類(lèi)器件。利用超材料超常的電磁性質(zhì)和高度可設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，人們成功地開(kāi)發(fā)出多種具有高性能、能滿(mǎn)足各種特殊要求的天線，實(shí)現(xiàn)了天線的小型化、高效、高增益、共型化、高信號(hào)選擇性等。例如，Ziolkowski等[11]提出了基于超材料的天線空間匹配的概念，可有效地抵消電抗，提高天線的輻射效率，同時(shí)通過(guò)空間耦合成為天線的寄生輻射元增益，可將天線尺寸大幅縮小，輻射效率大幅提高。利用復(fù)合左/右手（CRLH）傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的天線，借助于零階諧振，天線的尺寸可以任意地小。利用零折射率超材料的出射面趨近平行于法線的方向射入自由空間的特性，可以有效地使電磁波匯聚，提高陣列天線的方向性和增益。目前，在通信等領(lǐng)域的一些天線中已融合了超材料技術(shù)。

意大利珠寶歷來(lái)對(duì)金色推崇備至，新款Serpenti系列璇彩時(shí)光腕表亦沿襲這一傳統(tǒng)。借助寶格麗的獨(dú)創(chuàng)巧思，古老靈蛇再度演繹經(jīng)典魔力，搭配帶古銅色金屬質(zhì)感的雙圈表帶，蜿蜒環(huán)繞于腕間。Serpenti系列璇彩時(shí)光腕表可輕松更換表帶，帶來(lái)隨心個(gè)性化佩戴體驗(yàn)。鏈節(jié)流暢銜接，呈現(xiàn)不拘一格的表鏈造型，搭配閃耀的表身，帶來(lái)極具辨識(shí)度的視覺(jué)感受。表鏈可同炫彩的皮革表帶替換佩戴，提供豐富多變的佩戴體驗(yàn)。

在無(wú)源集成領(lǐng)域，筆者首次提出了基于負(fù)介電常數(shù)的無(wú)繞線電感技術(shù)。利用平板電容結(jié)構(gòu)，以負(fù)介電常數(shù)材料作為介質(zhì)產(chǎn)生類(lèi)似于電感器的交流響應(yīng)，有效解決了無(wú)源集成模塊中電感器復(fù)雜的繞線結(jié)構(gòu)占據(jù)大量布線空間、導(dǎo)致復(fù)雜工藝及對(duì)周?chē)骷a(chǎn)生漏磁干擾的問(wèn)題。

（三）超材料減震技術(shù)

機(jī)械/聲學(xué)超材料近年來(lái)發(fā)展迅速，這類(lèi)超材料有迫切的工程需求。機(jī)械超材料是對(duì)各種力學(xué)作用做出超常響應(yīng)的人工材料，按所調(diào)控的彈性模量不同可分為超強(qiáng)、超硬超材料，可調(diào)節(jié)剛度超材料，負(fù)壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和智能超流體[12]。利用這些超常力學(xué)性質(zhì)，可以開(kāi)發(fā)出很多應(yīng)用功能，其中一個(gè)成功的工程應(yīng)用領(lǐng)域是減震和降噪。目前常用超材料實(shí)現(xiàn)減震降噪的方案很多，其中一個(gè)方案是利用電磁波“隱身斗篷”類(lèi)似的坐標(biāo)變換原理，將受保護(hù)物體利用特殊設(shè)計(jì)的力學(xué)超材料包覆起來(lái)，使機(jī)械波繞開(kāi)物體。這一思路也被用于大型建筑及城市的地震防護(hù)。此外，利用具有負(fù)泊松比（受到拉力時(shí)發(fā)生側(cè)向膨脹）超材料和負(fù)剛度超材料的組合，科學(xué)家成功地研制出了能夠抑制許多不同頻率的振動(dòng)的新型防震結(jié)構(gòu)，可望應(yīng)用于運(yùn)送早產(chǎn)兒的車(chē)輛上。

四、值得關(guān)注的顛覆性技術(shù)

（一）超材料透鏡

超材料透鏡是一類(lèi)典型的顛覆性技術(shù)。傳統(tǒng)透鏡受到衍射極限的約束限制，光學(xué)器件無(wú)法對(duì)尺度小于半個(gè)工作光波長(zhǎng)的物體成像，其深層物理原因是常規(guī)介質(zhì)中倏逝波的衰減。2000年，Pendry[13]在理論上提出了負(fù)折射材料可以用于制作超透鏡的想法，并證明了當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，電磁波中的倏逝波成分會(huì)被放大，其中所攜帶的信息就可以在負(fù)折射率介質(zhì)材料中傳播。由負(fù)折射材料制備的平板具有成像的功能，物體發(fā)射出的光線會(huì)經(jīng)負(fù)折射率平板前后界面兩次折射后重新匯聚在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)衍射極限的成像（見(jiàn)圖3）。

近年來(lái)，各種超透鏡的設(shè)計(jì)層出不窮，由于在超材料加工上的困難，對(duì)于可見(jiàn)光頻段的超透鏡在實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)展較慢。2015年，Sun等[14]設(shè)計(jì)并研制出了一種可進(jìn)行單個(gè)分子成像和癌細(xì)胞檢測(cè)的透鏡——超材料超透鏡，可將光學(xué)內(nèi)視鏡的成像分辨率從10 000 nm提高至250 nm或更好。最近，Arbabi等[15]開(kāi)發(fā)了一種新型平面光學(xué)透鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且還能與圖像傳感器進(jìn)行集成，可望用于小型化的相機(jī)和顯微鏡中，并擴(kuò)展其功能和操作方式。

超材料透鏡在生物、材料、微電子學(xué)、光學(xué)工程領(lǐng)域都有急切的要求?？梢詫?duì)病毒和DNA分子、細(xì)胞以及各種材料的顯微結(jié)構(gòu)等在自然環(huán)境中進(jìn)行直接觀察。同時(shí)，基于超材料的完美透鏡可實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的光刻，一旦實(shí)現(xiàn)將使微電子加工技術(shù)水平大幅度提高，從而進(jìn)一步延續(xù)集成電路的摩爾定律。

圖3 超透鏡原理示意圖

（二）全光信息元器件

全光信息技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的重要方向，是突破電子技術(shù)“摩爾定律”物理極限的主要途徑。盡管這一技術(shù)原理已趨于完善，但在實(shí)際應(yīng)用中面臨著一系列器件的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，其中作為邏輯光路的核心部件的全光開(kāi)關(guān)器件是光信息技術(shù)的主要難點(diǎn)。常規(guī)全光開(kāi)關(guān)借助于光學(xué)非線性過(guò)程，需要較高（遠(yuǎn)高于信號(hào)）的驅(qū)動(dòng)光功率（非線性閾值），同時(shí)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變和弛豫過(guò)程需要相對(duì)較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間（開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間）。高閾值功率和低響應(yīng)速度是全光開(kāi)關(guān)技術(shù)走向應(yīng)用的主要障礙。

超材料為構(gòu)筑新型全光開(kāi)關(guān)器件提供了新的可能性。筆者首次提出了一種基于超材料中模態(tài)耦合的全光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)思想[16]：利用介質(zhì)超材料中人工原子可承載多個(gè)諧振模態(tài)的特性，通過(guò)兩束電磁波導(dǎo)致的電磁諧振模態(tài)發(fā)生相互耦合，改變通過(guò)材料的信號(hào)波傳播特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全光調(diào)制。由于這種新機(jī)制無(wú)需通過(guò)非線性光學(xué)過(guò)程參與，所獲得的全光開(kāi)關(guān)器件將具有低開(kāi)關(guān)閾值和極高的開(kāi)關(guān)速度，從根本上解決制約光開(kāi)關(guān)技術(shù)的兩大核心問(wèn)題，即開(kāi)關(guān)閾值和開(kāi)關(guān)速度問(wèn)題，從而突破全光信息技術(shù)的瓶頸（見(jiàn)圖4）。

（三）超材料與常規(guī)材料的融合

超材料是一種特殊的材料。超材料與常規(guī)材料相比，其界面非常清晰，超材料的功能主要來(lái)源于人工結(jié)構(gòu)，與源于自然結(jié)構(gòu)的常規(guī)材料完全不同。兩類(lèi)材料的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)完全相反，常規(guī)材料源于自然，易于獲得，但難于設(shè)計(jì)和剪裁；超材料則剛好相反，易于設(shè)計(jì)和剪裁，但不容易獲得。鑒于此，筆者提出了通過(guò)超材料與常規(guī)材料的融合構(gòu)建新型功能材料的概念，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了介質(zhì)基電磁超材料、本征型超材料介質(zhì)及若干種基于超材料原理的“常規(guī)材料”[17]（見(jiàn)圖5）。

超材料與常規(guī)材料的融合能夠發(fā)展出一些新的材料，為突破常規(guī)材料的性能極限開(kāi)辟了新的道路。常規(guī)材料的性能主要取決于材料的自然結(jié)構(gòu)，如原子結(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-晶界結(jié)構(gòu)等。隨著材料科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)這些結(jié)構(gòu)的操控能力逐漸增強(qiáng)，材料的性能不斷提高，越來(lái)越趨近于材料的自然極限。同時(shí)，自然單元和結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)聯(lián)和相互影響，也決定了人們無(wú)法隨心所欲地對(duì)材料性能進(jìn)行精準(zhǔn)操控。超材料結(jié)構(gòu)單元簡(jiǎn)單，易于被操控，因此可望成為突破常規(guī)材料功能極限的一種途徑。

超材料與常規(guī)材料的融合也是超材料走向工程化應(yīng)用的一個(gè)捷徑。狹義的超材料是具有常規(guī)材料所不具備性質(zhì)的人工材料，盡管其性能極具吸引力，但真正形成對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)尚需要一個(gè)發(fā)育期。而利用超材料的方法構(gòu)筑具有優(yōu)異性能的“人工常規(guī)材料”，則可望借助已有的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，將超材料迅速推向工程化。

圖4 超材料全光開(kāi)關(guān)原理示意圖

圖5 超材料與常規(guī)材料的融合

五、技術(shù)難點(diǎn)及政策建議

超材料的應(yīng)用可能導(dǎo)致眾多領(lǐng)域的技術(shù)變革，目前這些技術(shù)變革正處于醞釀階段，值得密切關(guān)注和期待。作為一大類(lèi)全新的材料系統(tǒng)，從超材料的研發(fā)到產(chǎn)生顛覆性技術(shù)需克服一系列技術(shù)障礙。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）超材料的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)。目前超材料的研究以原理性探索為主，模擬仿真技術(shù)基于簡(jiǎn)單模型和通用的模擬軟件，而實(shí)際應(yīng)用的器件設(shè)計(jì)需要考慮多種服役因素、多場(chǎng)耦合和海量計(jì)算，各種超材料的專(zhuān)用設(shè)計(jì)技術(shù)尚需進(jìn)一步發(fā)展。

（2）超材料的制備技術(shù)。超材料制備需要精密的材料加工，特別是一些電磁超材料（如太赫茲以上頻率的電磁超材料）的制備依賴(lài)于相關(guān)加工技術(shù)的進(jìn)步。

（3）大尺寸超材料的工程可行性和服役性能。超材料由大量的人工結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，這種單元陣列的可工程化及其服役性能（如機(jī)械性能、熱性能等）是其應(yīng)用的難點(diǎn)，例如，利用電磁斗篷實(shí)現(xiàn)軍事目標(biāo)的完美隱身需要在其外面包覆較厚的超材料“鎧甲”，如何將其減薄是一個(gè)重要難題。

為推動(dòng)超材料技術(shù)的發(fā)展，建議采用以下措施。

（1）加強(qiáng)對(duì)超材料及其工程化領(lǐng)域的研發(fā)投入。在國(guó)家和地方各類(lèi)科研計(jì)劃中提高對(duì)超材料研究的投入。面向技術(shù)路線清晰的重大需求，啟動(dòng)相關(guān)研究專(zhuān)項(xiàng)，通過(guò)示范性研發(fā)，帶動(dòng)通用技術(shù)的完善。

（2）通過(guò)政策引導(dǎo)推動(dòng)超材料產(chǎn)業(yè)鏈的形成。將超材料應(yīng)用列入國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，培育基于超材料的新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，鼓勵(lì)超材料向信息技術(shù)、常規(guī)材料、能源、國(guó)防軍工、精密儀器等領(lǐng)域滲透。

（3）重視超材料與常規(guī)材料的融合。加快建立超材料應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)發(fā)展基于超材料思想和常規(guī)功能的新型材料系統(tǒng)，推動(dòng)這些超材料走向傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，形成顛覆性技術(shù)。

（4）重視超材料的科普工作。通過(guò)多種方式，使科技界、工業(yè)界以及公眾對(duì)超材料的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值有更全面的理解，增強(qiáng)全社會(huì)對(duì)這一新興顛覆性技術(shù)的重視，提高企業(yè)和國(guó)防部門(mén)對(duì)超材料應(yīng)用的積極性。