超材料一點介紹

2021-03-04 05:45:08 字數 2239 閱讀 9215

一、超材料應用前景廣闊

超材料是指人工電磁材料,是一種人工結構的功能性材料,通過對傳入材料的電磁波做人為調製,改變傳統的傳波方向或大小,可能使材料出現人類前所未見的屬性和效能。目前超材料可用於天線、吸波材料等,是國內外的研發熱點,人們可以通過各種層次的有序結構實現對各種物理量的調製,從而獲得自然界中在該層次上無序或無結構的材料所不具備的物理性質。

超材料獨特的電磁效能已經吸引了來自不同領域的研究者研究。反過來,這種趨勢又將推動超材料的迅猛發展。在十餘年間,人們就已經有很多多的突破與進展,包括負折射率、超級透鏡、隱身斗篷已及零折射率等。

其它的很多吸引人心的發現也等待著人們的探索。可以預見,在將來的科學與技術領域,超材料必將有巨大的突破,就像曾經高分子材料與奈米材料一樣,將極大地推動科學技術的極大進步。

在超材料中,發展最快應用前景最廣的當屬負折射率材料和光子晶體。負折射率材料主要是基於左手材料、超透鏡、**斗篷與零折射率超材料的研究;而光子晶體是由具有不同反射率的材料在空間交替構成的一種週期結構。。隨著研究的深入,人們發現超材料不僅能夠用來實現雙負介質,而且零折射率介質、高折射率介質等都已隨著發展進入了研究者的視野中,其應用前景十分廣闊。

左手材料是近年來新發現的某些物理特性完全不同於常規材料的新材料,產生逆都卜勒效應、逆snell折射效應、逆cerenkov輻射效應以及「完美透鏡」等奇異的電磁特性。這些特性可望在資訊科技、軍事技術等領域獲得重要應用,這將在核磁共振成像、光儲存和超大規模積體電路中的光刻技術等諸多方面得到應用。

而光子晶體對光通訊中的資訊處理有重要的意義。值得指出的是,由於光子晶體材料自身給出了一種材料平台,人們可以在同一塊光子晶體「晶元」上實現各種不同的有源和無源器件,並將這些整合。這為未來的整合光子學技術提供了廣闊的發展前景。

目前的研究集中於研究各種波與特殊設計的共振器陣列的互動應用。主要目標是利用這些共振器與連續波的強烈反應大幅改變波的傳播特性。將促折射材料和光子晶體等技術結合起來,對未來的太陽能應用也具有重大意義,可以研發用於製作太陽能電池的研究,可大大增加電池的蓄電能力。

但是在目前,離到真正大規模的生產與使用還有許多的難題有待克服,這也將成為未來超材料研究的主流方向並能有很多重大突破的領域。

二、產業涉及面廣,全世界都在推。

超材料自問世之日起就受到了科學家們的廣泛追捧,在國內外很多領域都可以看到其蹤跡。此前,美國科學家們已經使用超材料製造出了聲學雙曲透鏡,這種透鏡有助於將超音波與聲納系統的影像解析度提公升8倍;超材料也被用來阻擋噪音、讓不同波長的光線彎曲、讓物體**等。美國、德國等高校正在使用新穎的超材料,試圖研製出一種新式「超材料透鏡」,以更好地控制穿過透鏡的光線,從而提高無線電力傳輸的能量和效率。

超材料在傳輸無線電力的同時可避免微波或雷射造成的干擾。如果用此方法給手機、大功率的微波爐甚至雷射裝置充電,就要傳輸更多電力。

隨著國內外研究人員對左手材料進一步地分析與研究,使得許多國際上的研究者開始漸漸接受和承認這樣一種具有反常特性的人造材料。此外,許多軍工部門、公司和研究機構開始設立專門的研究專案來探索這種人造介質材料的結構、特性和應用。例如,聯合國已經啟動了射頻左手材料的研究專案,專案中結合了imperial大學pendry的研究工作的marcconi研究;美國一些軍工企業也開始了這種材料的研究;波音公司主持了乙個美國國防部高階研究計畫局聯盟來集中研究吉赫茲頻段的負折射率;美國加利福尼亞大學的洛杉磯分校則主持了另乙個美國國防高階研究計畫局聯盟:

歐洲聯盟也投資了乙個協會來負責新興技術專案,其中就包括左手材料。

而美國肯特大學、美國賓州州立大學以及科羅拉多州大學就液晶領域開展了超材料研究。通過液晶的自適應特性,可以得到奇異特性的超介質,廣泛應用於超快光開關等領域。另外,可控性超材料是最近幾年的熱點,美國洛斯阿莫斯國家實驗室就如何使用超材料來調控太赫茲波(terahertz)開展深入研究。

這一研究可以有效地填補人們尚未完全了解的太赫茲波段,在航空航天、環境監測等方面都有廣泛應用。

英國南安普頓光學中心是超材料、等離子體方面的絕對權威,其對非線性超材料、量子超材料,以及和超導結合的超材料的研究都極大地拓展了超材料的研究領域。

國際上關於超材料領域的研究起步較新,國內在這方面擁有很多新成果和專利。當前最迫切要做的是提公升超材料電磁特性,並為這些特殊屬性與業界所需要的電磁功能服務找到結合點,提**用和產業化的契機。

由於超材料設計的研究領域越來越廣,尚有很多問題沒有涉及或雖有涉及而研究不夠深入,仍需要進一步充實。在隱身、變換光學方面,國內的一些團隊已經取得了國際領先的成果;但在可調控、自適應超材料,非線性超材料,量子超材料領域仍然處於發展階段,與國際知名的院校、實驗室還有相當大的差距。我們應多建立國際交流合作,提高國內在超材料領域研究的水平。

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