神奇的超材料

◆◆探秘超材料

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超材料(Metamaterial)概念来源于1968年前苏联理论物理学家菲斯拉格观察到的介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学特性与常规材料不同的现象和理论预测。

目前所说的超材料(Metamaterial)、超表面(Metasurfaces),是一种人造材料,利用金属线圈、导线、开口环式谐振器(Split-Ring Resonator,SRR)等人为的方式创造对电场及磁场的反应,所以具有一般自然物质没有的电磁特性。

正是因为超材料的性质不是由构成的材料决定,而是取决于人工结构,所以在人为设计、控制的情况下,就能以全新的方式对光进行折射和操控,进而创造多种不寻常的光学效果,例如负折射、相位全相片、超级透镜等,甚至是科幻小说里的隐形斗篷。

神奇的超材料

折射率为负的超材料

01

超透镜

众所周知,透镜是光学应用的基础,在日常生活中被广泛应用,包括相机、眼镜、显微镜等。而传统透镜对不同波长的光有不同的折射率,所以无法把各种色光聚焦在同一点上,于是就产生了“色差”,会模糊成像效果。不同于传统透镜,超表面具有在亚波长(Subwavelength)维度下调控电磁波的特性。例如振幅、相位与偏振性。所以对于发展光电元件微型化有极大的帮助。少了层层叠叠的透镜,未来手机、相机就能大幅“瘦身”。

台湾“中央研究院”蔡定平团队自创“集成共振单位”,就是要解决上述问题。身为核心开发人员的王漱明解释,整个开发流程可以分为四个阶段:第一是设计超表面的共振单元,以及想要实现消色差效果,就需要将这些单元进行特殊排布,通过电脑精算设计出超表面结构;第二是样品的加工制成;第三阶段以实验测试样品的效果;最后才是进行结果分析。最终,他们成功制作出宽频且消色差的超透镜(Achromatic Metalens)。

神奇的超材料

通过电脑计算最佳排列位置,组成集成共振单位(灰色图)

02

压缩致扭转超材料

卡尔斯鲁厄理工学院一研究团队报告了一种超材料,研究人员通过大量的计算和优化,设计了一个独特的结构单元。这种结构单元与其他一般材料的结构有一个显著的不同,就是没有镜面对称性。也就是这种结构单元在镜子中的像无法与结构单元自身重合,而是变成了另一个方向,如同人的左手和右手。通过先进的三维激光微印制造技术,把不同数量的结构单元堆叠在一起就能加工出同样具有手性的整体新材料来。在压力的作用下,手性结构让这种新材料展现出了不对称的形变——因为环形结构对力的传导,受到挤压的结构单元并没有像常规材料那样向四周膨胀,而是发生了扭转。

神奇的超材料

这类超材料将会有十分广泛的应用。例如作为弹性的介质,在其中传递的纵波将会被转化为扭转波,这类结构将有助于我们理解生物体中(如骨骼中)存在的类似现象,从而促进仿生材料的设。如果运用在建筑体中,将能很好的拓展结构设计的范围。

新的超材料给结构设计带来了的新的自由度。而对于运用材料的人们来说,新的自由度,就意味着全新的,更加广阔的想象空间。