于相龍

關(guān)于隱身，古今中外都有許多傳說，比如，中國民間故事里的遁術(shù)，西方魔法故事里的隱身斗篷。那么，所謂的隱身真的存在嗎？隨著科技的發(fā)展，人們對隱身的研究逐漸深入，正在朝著“四項全能”——讓你看不見、摸不著、感覺不到呼吸、感受不到溫度的方向發(fā)展。這種由新材料帶來的神奇的超級隱身能力，會讓人質(zhì)疑“我到底存在還是不存在”。

實現(xiàn)這四種隱身功能，靠的是一類21 世紀才出現(xiàn)的前沿新材料——超材料（Metamaterial）。超材料是一類具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復合型功能材料。

以往，人類的創(chuàng)新是根據(jù)自然界有什么材料，就制作什么樣的產(chǎn)品，如今，超材料完全使用逆向思維，根據(jù)不同的應用需求，制造具備特定性能的材料，真正做到“按需定制”。下面就讓我們來認識一下光學超材料、力學超材料、聲學超材料和熱學超材料這四種典型的超材料，以及它們實現(xiàn)的隱身功能吧。

看不見——光學隱身

當一束光通過不同介質(zhì)界面時就會發(fā)生折射。比如，在一只裝了一半透明液體的透明玻璃杯中斜放入一支筷子，當折射率等于1.3 時，折射光會沿著筷子的方向向內(nèi)靠攏，筷子在液體中的部分看上去就像向內(nèi)折斷了一樣；當折射率等于1 時，光通過空氣與通過液體一樣，沒有變化；當折射率等于-1.3 時，這種現(xiàn)象在生活中是難得一見的，筷子被液體平面截成了兩半，液體中的那一半甚至看上去是從相反方向斜放進來的，而且筷子還發(fā)生了彎曲。

可見，不同的折射率足以改變我們看到的事實。那么，這樣操縱光的折射跟隱身有關(guān)系嗎？回答是肯定的。第一項隱身超能力，就是操縱光線。

如果我們能用特殊的技術(shù)，讓光發(fā)生不同方向的折射，是不是就可以任意操縱光線，隨心所欲地拿捏各個維度空間了呢？我們可見的這些光，其實就是一類電磁波?？茖W家操縱光，就是操縱電磁波。哈利·波特的隱身斗篷，其實就是操縱光線，讓光線“繞行”，不再沿著直線傳播，這樣就看不見站在斗篷中的人了?？茖W家為了制造這個隱身斗篷，開始像拼積木似的，將經(jīng)過特殊設(shè)計的不同的人工結(jié)構(gòu)搭建在一起，得到了一種新的超材料。

這種操縱光線的超材料，被稱為光學超材料，穿上這種材料制作的隱身衣，別人就看不見你了。不過遺憾的是，真正的可見光波段的隱身衣科學家還沒有制造出來，或者已經(jīng)制造出來了，但還處在保密階段。

觸摸不到——力學隱身

看不見的光學隱身快研究20 年了，科學家卻還沒有制造出隱身衣。后來科學家只好想別的辦法，開始操縱彈性波。

來看看初中物理講的力是怎么傳遞的。我們小時候都玩過這樣的小把戲，把一張紙折疊幾次，它的承重能力就變強了。這其實就是在無意中借鑒了超材料的設(shè)計理念?？茖W家做完試驗，突發(fā)靈感，于是用各種不同材料、不同結(jié)構(gòu)和不同外形的微小物體塊搭建在一起，得到了更多樣化、讓你觸摸不到的力學超材料。目前，觸感隱身是最常見的力學超材料的一類應用。力學超材料能夠?qū)⒛繕宋矬w“隱藏”起來，讓我們的觸摸無法感知到它的存在。

力學超材料的研究剛剛開始，就出現(xiàn)了很多種類似無觸感的隱身技術(shù)，比如，負泊松比、負彈性、負剛度、負可壓縮性等超常力學性能。打個比方，我們拔河時常感覺繩子就要被拉細拉斷了，可是如果這根繩子是力學超材料制成的，我們越用力拉，繩子可能反而越粗。再比如，當我們使勁踹泥土地時，一般會踹出一個坑，但如果這泥土是力學超材料的，我們越用力踹，土地就可能越膨脹。按這個思路腦洞大開地想下去，你就會發(fā)現(xiàn)，力學超材料可應用的領(lǐng)域絕不只是無觸感隱身。

感覺不到氣息——聲學隱身

還有一種情況，如果我們真的隱身了，人們看不見、觸摸不到，可若是我們打了個噴嚏，或是大喘氣一下，肯定又會被發(fā)現(xiàn)了。于是，怎么讓呼吸的氣息也消失，讓人感覺不到呢？

想想看，當我們開口說話和呼吸時，是不是與聲帶有關(guān)？那就讓科學家試著操縱聲波，也就是彈性波吧。這種操縱聲波的超材料就是聲學超材料，也是用各種各樣不同材料、不同結(jié)構(gòu)和不同外形的微小物體塊搭建在一起得到的。如果用這種聲學超材料制成傳感器，聲波會在傳感器處消失，經(jīng)過聲學超材料后，再大的聲音人們也聽不見。所以當你戴上用這種聲學超材料做的口罩，你呼吸、打噴嚏或大喊大叫時，沒人會聽得見。只是，聲學超材料的研究也是從最近幾年才開始的，科學家還在通過實驗來模擬和驗證這種聲學超材料口罩的功能。

感覺不到溫度——熱學隱身

有了前面三種超材料，我們已經(jīng)接近完美隱身了，可我們的身體還在向空氣輻射熱量，如果用檢測溫度的紅外儀器一照，還是會原形畢露。于是科學家開始研究熱學隱身，讓人體的溫度也不存在。

我們知道，熱流是從高溫向低溫流動的。比如手握一塊冰，手上的熱量就會傳導給冰，于是冰就融化了。如果手握一塊冰而不讓冰融化，該怎么辦呢？有人說戴上厚厚的手套就可以了。是的，手套擋住了熱流向外擴散。如果有這樣一種熱學超材料，讓熱流反轉(zhuǎn)，使其從低溫流向高溫。也就是說，如果戴上這種熱學超材料編織的手套握著冰，手也會變成冰，而冰并不會融化。如此一來，穿上這種熱學超材料的衣服，紅外儀器也是無法檢測到我們存在的。

如今，世界上的研究機構(gòu)、院校、尖端裝備企業(yè)等，都開始針對超材料技術(shù)進行各個領(lǐng)域的研究。超材料技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于大型無人機、海洋航空裝備等尖端產(chǎn)品的設(shè)計、制造與交付。在如今人類的尖端裝備領(lǐng)域，超材料已經(jīng)成為主流技術(shù)之一。

（摘自《走進前沿新材料1》，中國科學技術(shù)大學出版社）