超材料的奇異性使其具有廣泛的應用前景，從高接收天線到雷達反射器，甚至地震預警。
超材料是壹門交叉學科，包括電子工程、凝聚態物理、微波、光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學和納米技術。
中文名:超材料mbth:超材料類別:物理特性:具有超常物理性質的學科:材料學:材料學的定義，六種超材料，歷史沿革，研究現狀，國外發展，中國發展，發展前景，基本原理，主要特點，應用研究，專家意見，“超材料”的定義是指壹些人工設計的結構，具有天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料。“超材料”是20世紀以來出現的壹種新材料，它具有天然材料所不具備的特殊性質，而這些性質主要來源於人工的特殊結構。超材料的設計思路新穎，這種思路的基礎是通過各種物理結構的設計，突破壹些表觀自然規律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設計思想表明，人們可以在不違反物理學基本定律的情況下，人工獲得與自然界完全不同的具有非凡物理性質的“新物質”，將功能材料的設計和開發帶入壹個全新的世界。典型的超材料有左手材料、光子晶體、超磁性材料和金屬水。六種超材料1、自修復材料——仿生塑料美國伊利諾伊大學的斯科特·懷特(Scott White)開發了壹種具有自修復能力的仿生塑料。這種聚合物嵌入了由液體組成的“血管系統”。當它被損壞時，液體可以像血液壹樣滲出和凝結。與其他只能修復微小裂縫的材料相比，這種仿生塑料可以修復寬達4毫米的裂縫。2.熱電材料壹家名為Alphabet Energy的公司開發了壹種熱電發電機，可以直接插入普通發電機的排氣管，將余熱轉化為可用的電能。這種發電機使用的是壹種相對廉價且天然的熱電材料，叫做tetrahedrite，據說可以達到5-10%的能效。科學家們已經在研究壹種能效更高的熱電材料，稱為skutterudite，壹種含鈷的礦物。目前熱電材料已經小規模應用——比如在航天器上——但方鈷礦具有成本低、能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰櫃或任何機器的排氣管。3.鈣鈦礦除了晶體矽，鈣鈦礦還可以作為太陽能電池的替代材料。2009年，鈣鈦礦制成的太陽能電池太陽能轉換率為3.8%。到2014年，這個數字已經增加到19.3%。與傳統晶體矽電池相比，能效提高20%以上。科學家認為，這種材料的性能仍有可能提高。鈣鈦礦是壹種由特定晶體結構限定的材料。它們可以包含任意數量的元素。壹般來說，鉛和錫用於太陽能電池。與晶體矽相比，這些原材料便宜得多，無需在潔凈室中仔細組裝，就可以噴塗在玻璃上。4.氣凝膠氣凝膠可以由許多物質制成，包括二氧化矽、金屬氧化物和石墨烯。氣凝膠是壹種極好的絕緣體，因為空氣占了大部分比例。它的結構也賦予了它超高的強度和韌性。美國國家航空航天局的科學家們壹直在試驗壹種由聚合物制成的柔性氣凝膠，作為航天器穿越大氣層的絕緣材料。5.甾烯-導電率為100%的材料和石墨烯壹樣，甾烯也是由單原子層構成的材料。但由於使用了錫原子而不是碳原子，它具有石墨烯無法達到的特性:100%的電導率。斯坦福大學的張首晟教授於2013首次提出了甾烷烯的理論。預測甾烯等材料的電子性質是張教授實驗室擅長的領域之壹。根據他們的模型，甾烯是拓撲絕緣體，即其邊緣是導體，內部是絕緣體。這樣，Stanene可以在室溫下零電阻導電。6.光操縱材料光操縱超材料的納米結構可以以特定的方式散射光，它可能真的使物體隱形。根據制造方法和材料的不同，超材料還可以散射微波、無線電波和不太為人所知的T射線。事實上，任何電磁頻譜都可以被超材料控制。在1968的歷史演化過程中，前蘇聯理論物理學家Veselago提出了這個問題，並從理論上預言了上述“反常”現象。只是因為沒有實驗驗證，而且是在功能材料發展的早期，所以人們對Fislag的發現沒有給予足夠的重視。美國《科學》雜誌將其列為本世紀前10年的10項重要科學進展之壹，引發了新壹代信息技術、國防工業、新能源技術、微加工技術等領域的重大變革。* * *，發達國家學術界和產業界都非常重視超材料技術的研發，制定了相關計劃，投入了大量的人力物力。美國國防部已經啟動了壹項關於超材料的研究項目，英特爾、AMD、IBM等美國最大的六家半導體公司也成立了聯合基金來支持這項研究。美國國防部甚至將其列為“六大顛覆性基礎研究領域”之壹。歐盟已經組織了50多位相關領域的頂尖科學家專註於該領域的研究，並給予他們高額的資金支持。在經濟低迷時期，日本推出了壹項研究計劃，支持至少兩個超材料技術的研究項目，每個項目約30億日元。國外的研究現狀在全世界科學家的實驗室裏，出現了許多新奇的發明。美國科學家做出了壹種反彈陶瓷管，與傳統的脆硬陶瓷相比，壓縮50%後可以恢復。這種陶瓷將在“普通材料無能為力的地方”發揮巨大作用，比如航天飛機或噴氣發動機的隔熱設備。2006年，來自北卡羅萊納州杜克大學和倫敦帝國理工學院的研究人員通過使用超材料使物體在微波輻射下隱形，成功挑戰了傳統概念。盡管仍有許多困難需要克服，但我們在歷史上第壹次擁有了讓普通物體隱形的方案(五角大樓國防高級研究計劃局(DARPA)資助了這項研究)。在德國，科學家們使用了壹種稱為“直接激光光刻”的技術來制作壹種由微小塑料棒制成的隱形材料片。當隱形材料片覆蓋在物體上時，在紅外攝像機的觀察下，隱形材料改變覆蓋物周圍的光速，使覆蓋物和被覆蓋的物體壹起消失。包括美國國防高級研究計劃局在內的軍事組織都在尋找這種隱藏技術，以使飛機在軍用雷達的探測範圍內隱形。法國科學家發現，通過在超材料墻壁和地面上精確打孔，可以轉移地震波，使地震和海嘯偏離建築物或城鎮，達到減災的目的。荷蘭科學家已經制造出可機械編程的智能橡膠。通過小開關的控制和特殊的設計，這種智能橡膠可以像超大海綿壹樣變硬或變軟，甚至可以在擠壓下在這兩個階段快速變形。在這種材料的幫助下，人們很快就能穿上通過感應地面硬度來自動調節的鞋子。與許多國家相對分散的發展模式相比，中國在超材料領域的發展模式更加集中和強大。中國在863計劃、973計劃、國家自然科學基金和新材料重大專項中支持超材料的研究。在電磁黑洞、超材料隱身技術、電介質超材料、聲波負折射等基礎研究方面，中國企業取得了多項原創性成果，在國際超材料產業化競爭中處於領先地位。在美國留學並在《科學》雜誌上發表了新型超材料寬帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中的代表之壹。2010年，以劉若鵬博士為首的五名海外留學生團隊回國創辦了深圳光啟。經過幾年的發展，公司在全球範圍內申請了2800多項專利，約占相關領域專利申請總數的86%。該公司在創建基於超材料、無線互聯、航空航天和其他領域的智能社區方面也處於世界前列。比如，它是全球首條超材料微結構精密測試線，設備定制度高達70%，工藝精度高達2微米。他們還設計了超材料生產的標準化流程。以設計的電磁超材料天線為例，利用壹塊可以折疊到筆記本大小、印有“江南水鄉風景”的電路板，飛機、火車、輪船、汽車可以在移動網絡無法到達的偏遠地方連接衛星寬帶上網。無論衛星在天空中的哪個位置，天線都可以跟蹤，不需要像傳統的碟形天線那樣壹直盯著壹個方向的衛星。美國同類產品的商業銷售計劃今年才開始，光啟早在三年前就在中國22個省份安裝試用。這只是近年來中美在超材料核心領域的激烈競爭之壹。此外，為了打破歐美超材料技術標準的壟斷，上個月，全國電磁超材料技術與產品標準化技術委員會審核並提交了國家標準《電磁超材料術語》。這意味著我國在世界範圍內率先制定超材料領域的國家標準，將對我國超材料技術的研究和標準轉化發揮重要作用。發展前景由壹家研究公司預測。超材料的全球市場規模在2065，438+00到2020年將以465，438+0%的年復合增長率發展。可以預見，隨著全球“工業4.0”進程的不斷深入和“智能+”應用領域的不斷拓展，壹個千億規模的超材料產業集群正在崛起，可以帶動高速列車、新型地面行進設備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領域。利用超材料技術駕馭電磁波構建未來世界，正成為全球科技創新的又壹焦點。根據廣義相對論，時間和空間都可以“彎曲”，空間中的光也可以彎曲，前提是“設備”設計得足夠小，做得足夠小。近年來，科學家遵循Fislag的理論，依靠壹些間距只有千分之幾的1 mm的人工結構，組裝出材料的單元結構(人工原子和人工分子)，通過不同的組合結構和排列，設計制造出各種超材料，從而實現了彎曲光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波的夢想。由特殊波導捕獲的不同波長的光形成的彩虹超材料的應用與原來的材料制備有很大不同。以前自然界有什麽材料就有什麽材料，但超材料完全是逆向設計，根據電磁波的具體應用需求制造出相應功能的材料。主要特征超材料有三個重要特征:(1)超材料通常是人工結構新穎的復合材料；(2)超材料具有非凡的物理性質(往往是天然材料所沒有的)；(3)3)超材料的性質往往主要不是由組成材料的本征性質決定的，而是由人工結構決定的。應用研究目前，基於這些實驗結果的產品轉化步伐也在加快。超材料智能蒙皮、超材料雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線、無人機雷達、聲隱身技術等產品的開發利用成為各國競爭的焦點。專家觀點“超材料”的概念已經逐漸滲透到很多領域。這項技術起初在電磁學領域引起轟動，隨後直奔包括熱力學在內的多個領域，最近開始在力學領域掀起軒然大波。(德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授)超材料對航空航天、國防和民用科技的推動，表明新材料將成為科學研究中壹個非常重要的切入點和方向，給許多領域帶來沖擊和影響，產生新的產業，意義深遠。(中國工程院院士段寶巖)超材料的設計思路和方法很可能成為探索材料新功能、引領產業新方向、提高材料綜合性能、突破資源稀缺瓶頸的有力手段。應進壹步明確國家層面大力發展超材料技術的必要性，凝練發展重點，選擇合理的技術路線，制定符合超材料技術發展趨勢、適應我國國情的超材料技術發展戰略。(中國顏剛科技集團有限公司副總工程師周少雄)