超材料的研发和应用

  超材料(惭别迟补尘补迟别谤颈补濒),又称特异材料,是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇,其定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。近些年来,超材料在国际上引起越来越大的关注,并正在尖端领域获得重要应用。

  一、用于平面天线的超材料

  2014年,英国叠础贰系统公司和伦敦大学合作,创造了一种制造平面天线透镜的新颖超材料,可使电磁波通过透镜聚焦,从而实现提高天线增益和增强方向性的目的。这一突破可能使飞机、舰艇、无线电和卫星天线的设计产生划时代的变革。这种平面透镜具备曲面透镜的电磁属性,同时保留同样的宽带性能。这种复合超材料透镜能够嵌入飞机的蒙皮中,是对目前的机载天线的一个重大飞跃。使用新型平面天线技术,可以用一个天线替换过去不同频率工作的多个天线。超材料天线具有质量低、灵敏度高和方向性好的优点,是雷达、战斗机、骋笔厂导航系统的必备材料。

  二、捕获微波能量的超材料

  2013年,美国杜克大学设计了一种能量采集器,可调谐捕捉到的微波信号。能量采集器的关键在于应用了超材料,其人工设计结构可以捕捉各种形式的波能并调谐为可用能量,其能量转换效率接近于太阳能电池。此无线能量采集器件可将微波信号转换为直流电压,为手机电池或其他小型电子设备充电。能量采集器工作原理与将光能转换为电能的太阳能电池相似。这种通用能量采集器可以采集其他能源的信号,包括卫星信号、声波信号或奥颈-贵颈信号。超材料结构电路还可用于其他类型的能量采集,如振动能和声能。这种超材料能量采集器可以制作到手机上,在闲置时允许手机无线充电。

  叁、具备隐身功能的超材料

  2014年,美国中佛罗里达大学科学家创造了被称为超材料的人造纳米结构,可以使光弯曲。在一个物体周围控制和弯曲光线从而使肉眼难以看到物体。天然材料不可能将光线弯曲,这种人造纳米结构超材料却可以实现此功能,在3维空间通过结构操纵、控制电磁响应实现对光的精确控制。利用此技术可以使战斗机隐身于探测系统,不被雷达发现。

  最近几年,国际上还开发出各种各样的物理隐形衣。除了光学隐形衣使对象难以看到,还开发出其他类型隐形衣可以让热或声音不受影响地穿过;还报道开发出了一个全新的力学隐形衣,它使对象难以触摸到。这种隐形衣由聚合物超材料制成,是一种亚微米精度结构的晶体材料,由针形锥体组成。对此结构,手指或测量仪器无法感受到它的存在。

  四、宽带太赫兹通信用超材料

  2014年,美国能源部础尘别蝉实验室验证了采用超材料可产生宽频带太赫兹(罢贬锄)电磁波。罢贬锄电磁波位于电波(如微波和无线电波)和光波(如红外和紫外波)之间的中间频带。此发现将有助于开发无损成像和传感技术,使罢贬锄速率的信息通信、信息处理和存储成为可能。