于相龍，周　濟(jì)

(清華大學(xué) 材料學(xué)院 新型陶瓷材料與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

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特 約

智能超材料研究與進(jìn)展

于相龍，周濟(jì)

(清華大學(xué) 材料學(xué)院 新型陶瓷材料與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084)

本文以智能超材料關(guān)鍵技術(shù)為主線，基礎(chǔ)研究和新產(chǎn)品研發(fā)為輔，簡(jiǎn)要論述近年來(lái)智能超材料的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。根據(jù)智能超材料所調(diào)控激元的不同，可分為智能電磁超材料，智能機(jī)械超材料，智能熱學(xué)超材料，智能耦合超材料，此外兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為智能超材料新型設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)和材料制備技術(shù)與材料基因工程。這些智能超材料在科學(xué)基礎(chǔ)研究方面涉及超材料中多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，新型人工原子與人工分子設(shè)計(jì)，超材料與自然材料的融合，超材料可調(diào)性探索和新型傳感型超材料機(jī)制探求。基礎(chǔ)研發(fā)和技術(shù)拓展將推進(jìn)智能超材料施展到更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如微型天線及無(wú)線互聯(lián)，光電磁隱身，醫(yī)學(xué)圖像上用的完美成像，航空航天和交通車輛所用的智能蒙皮，精密儀器制程與片上實(shí)驗(yàn)室集成型超材料等?；谏鲜鰢?guó)內(nèi)外智能超材料研究的發(fā)展趨勢(shì)，本文進(jìn)行了系統(tǒng)性的分類厘清，并分析了其研究現(xiàn)狀，給出了我國(guó)智能超材料發(fā)展的美好愿景。

超材料；光學(xué)超材料；機(jī)械超材料；熱學(xué)超材料；智能耦合超材料

智能材料泛指能夠感知外界環(huán)境并做出響應(yīng)的材料。智能超材料除具備這一特性外，與傳統(tǒng)功能材料不同之處在于，通過特殊的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)制電磁波和彈性波，展示出均勻材料所不具備的，新穎奇異的力、熱、聲、光學(xué)性能，尤其是這些性質(zhì)主要來(lái)自人工的、特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。就像新生兒來(lái)到這個(gè)世界上，從第一眼看見，親耳聽見，親手去觸摸這個(gè)世界，直到心靈的感知體悟，人工智能超材料也經(jīng)歷了相似的演進(jìn)，其源于光學(xué)超材料，到聲學(xué)、熱學(xué)及力學(xué)超材料。之初，人們希望能夠像控制固體中電子的傳輸行為一樣來(lái)控制和利用光子，使得光子最終能成為一種有用的信息載體。光作為信息載體在傳播速率、信息容量以及能量損耗等方面優(yōu)越于電子，極有可能在信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起重要作用，因而如何實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的調(diào)控變得尤為重要與緊迫，光學(xué)超材料應(yīng)運(yùn)而生，圖1簡(jiǎn)略演示光學(xué)超材料一些新奇的電磁現(xiàn)象。隨著對(duì)光學(xué)超材料研究的深入，超材料也被拓展到對(duì)聲和其他元激發(fā)的調(diào)控領(lǐng)域,如彈性波方面的聲學(xué)超材料，機(jī)械超材料和熱學(xué)超材料等其他具有奇異特性的智能超材料。結(jié)合傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物質(zhì)材料科學(xué)與各種新型微納米加工技術(shù)，面向下一代信息與新能源技術(shù)，超材料正成為當(dāng)今微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)中新學(xué)科的前沿。

圖1　光學(xué)超材料呈現(xiàn)自然界不曾出現(xiàn)的負(fù)折射、超透鏡、光學(xué)隱身的奇異特性[1-9]Fig.1　Optical metamaterials show some counterintuitive properties: negative refractive index, superlens and optical cloaking[1-9]

鑒于超材料具有高度的可設(shè)計(jì)性，為發(fā)展各類新型智能材料提供了理想的材料平臺(tái)。目前發(fā)展出的超材料主要是一些被動(dòng)型材料，如具有超常介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率的材料等，而在智能材料方面的應(yīng)用尚待開發(fā)。盡管如此，智能超材料所涉及的內(nèi)容依然很廣泛，是一大類新型功能材料的總稱，包括一些光學(xué)超材料、聲學(xué)超材料(與彈性振動(dòng)波相應(yīng)，用于操縱和利用聲子傳播)、力學(xué)超材料(吸聲介質(zhì)，超黏滯材料)、熱學(xué)超材料(調(diào)控?zé)崮艿膫鬏斉c轉(zhuǎn)換)、聲子晶體(超高精度控制單個(gè)聲子，進(jìn)而對(duì)動(dòng)態(tài)溫差調(diào)控)等。故而，本文嘗試著從科學(xué)研究、關(guān)鍵技術(shù)和新產(chǎn)品應(yīng)用三個(gè)層面，對(duì)智能超材料研究應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要概述和厘清，并概略闡述其在國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)。

表1給出了本文在智能超材料基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和新產(chǎn)品應(yīng)用三個(gè)層面上所要論述的要點(diǎn)。在科學(xué)研究層面上智能超材料的基礎(chǔ)研究涉及：(1)超材料中多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，即利用微結(jié)構(gòu)單元間的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)去實(shí)現(xiàn)超材料的智能響應(yīng)；(2)新型人工原子與人工分子設(shè)計(jì)，即通過構(gòu)造新型功能單元實(shí)現(xiàn)超常響應(yīng)；(3)超材料與自然材料的融合，即利用天然功能材料的智能性質(zhì)與超幾何結(jié)構(gòu)融合，以實(shí)現(xiàn)超?，F(xiàn)象的探索和設(shè)計(jì)以及新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)；(4)超材料可調(diào)性探索，即基于可變電路、幾何結(jié)構(gòu)、材料特性，對(duì)施加信號(hào)相位、振幅或頻率的調(diào)制，改變超材料的熱、力學(xué)和電磁性質(zhì)；(5)新型傳感型超材料探索，即基于超材料對(duì)電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)及對(duì)周圍環(huán)境的介電性敏感等特性，可用于無(wú)標(biāo)記的生物檢測(cè)及相關(guān)方面的研發(fā)。根據(jù)微結(jié)構(gòu)單元類型和應(yīng)用范圍的不同，智能超材料的關(guān)鍵技術(shù)可分為以下六大重點(diǎn)方向：(1)智能電磁超材料，利用微結(jié)構(gòu)單元類似于計(jì)算機(jī)的0/1開關(guān)屬性，進(jìn)行非周期陣列，以實(shí)現(xiàn)編程可控的響應(yīng)輸出；(2)智能機(jī)械超材料，三維網(wǎng)狀金屬固體結(jié)構(gòu)，卻類似于理想流體，極易流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)二維流體的響應(yīng)性能；(3)智能

表1　智能超材料在科學(xué)，技術(shù)和新產(chǎn)品應(yīng)用層面的論述要點(diǎn)Table 1　An outline of smart metamaterials from the aspects of science, technology and products

熱學(xué)超材料，可感知外部熱源、主動(dòng)響應(yīng)的人工復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)，潛在應(yīng)用于微納米結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換；(4)智能耦合超材料，基于光子電路，通過亞波長(zhǎng)尺度人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)局域電磁場(chǎng)調(diào)控與位移矢量調(diào)控；(5)智能超材料新型設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；(6)智能超材料制備技術(shù)與材料基因工程。最后，在新產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用中，可分為(1)微型天線及無(wú)線互聯(lián)；(2)光電磁隱身；(3)醫(yī)學(xué)圖像上用的完美成像；(4)航空航天和交通車輛所用的智能蒙皮；(5)精密儀器制程與片上實(shí)驗(yàn)室集成型超材料。因此，本文將以智能超材料的關(guān)鍵技術(shù)為主線，基礎(chǔ)研究和新產(chǎn)品研發(fā)為輔，簡(jiǎn)要地論述近年來(lái)智能超材料的發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì)。

1　智能超材料研究概述

1968年Veselago首次提出“負(fù)折射率”的概念[10]，具有這種負(fù)折射率性質(zhì)的平板材料可以像透鏡一樣，使得平行入射光線匯聚到一點(diǎn)[11]。這與直覺相悖的研究結(jié)果拉開了超材料研究的序幕。超材料正是基于其微結(jié)構(gòu)單元的幾何結(jié)構(gòu)與物性，如共振與激發(fā)、形狀因子與手性等,以及它們空間排列所導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)與相互作用，從而實(shí)現(xiàn)許多自然材料所沒有的，新穎的力、熱、聲、光等調(diào)控功能特性。從研究比較深入的光學(xué)電磁超材料，到聲學(xué)、熱學(xué)，及現(xiàn)在的機(jī)械超材料，超材料理論機(jī)制方面涉及電磁、機(jī)電、光熱、光機(jī)等多物理場(chǎng)耦合，幾何結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方面多用金屬諧振結(jié)構(gòu)、介質(zhì)諧振結(jié)構(gòu)、聲波諧振和非諧振人工原子及分子。目前科學(xué)基礎(chǔ)研究主要考慮如何將現(xiàn)有超材料與自然材料相融合，實(shí)現(xiàn)超材料在不同頻段的可調(diào)性，開發(fā)有源器件，從而不斷深入地開發(fā)出新型的傳感型超材料。相應(yīng)地，超材料的微結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)的任意性，物理過程的多樣性，不同尺度的特殊性，派生出來(lái)了新型理論設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、制備技術(shù)與材料基因工程。鑒于智能超材料的新穎特性，可廣泛應(yīng)用于微型天線及無(wú)線互聯(lián)、光電磁隱身、醫(yī)學(xué)完美成像、國(guó)防民用各種交通工具的智能蒙皮、其他精密儀器制備和片上實(shí)驗(yàn)室等不同前沿領(lǐng)域。

1.1智能電磁超材料

智能的電磁波調(diào)控又包括數(shù)字可編程超材料[12]、計(jì)算超材料[13]、光開關(guān)超材料[14]。這類智能超材料利用其微結(jié)構(gòu)單元類似于計(jì)算機(jī)的0/1開關(guān)屬性，進(jìn)行非周期陣列，以實(shí)現(xiàn)編程可控的響應(yīng)輸出，如圖2所示?？捎洃洺牧蟍15]則類似于憶阻器，不同的是基于光子電路，通過亞波長(zhǎng)尺度人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)局域電磁場(chǎng)調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)在光電路中可記憶功能元器件的研發(fā)。智能電磁超材料涉及電磁多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，可采用不同的諧振結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)[16]，圖3演示了常用作為“人工原子”的亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)共振單元。

1.2智能機(jī)械超材料

機(jī)械超材料源于聲學(xué)超材料彈性波的傳播行為過程中，可以看做是彈性的激發(fā)初始的人工材料設(shè)計(jì)。按所調(diào)控的彈性模量不同可分為：超強(qiáng)超硬超材料，可調(diào)節(jié)剛度超材料，負(fù)壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和智能超流體。其中智能超流體，工業(yè)技術(shù)上又稱為“金屬水”，其本身是一種三維的幾何拓?fù)渚W(wǎng)狀金屬固體結(jié)構(gòu)，而其剪切模量近似于零，從而實(shí)現(xiàn)二維流體的響應(yīng)性能。最具代表性的五模式材料[18](如圖4)，該材料6個(gè)分量等效彈性張量中有5個(gè)為0的本征值(只有1個(gè)非0)，也就是橫向幾乎沒有形變，類似于理想流體，難以壓縮卻極易流動(dòng)。鑒于這種超材料極具潛力，科研人員將這一研究成果開發(fā)用于海底“無(wú)觸感”斗篷隱身技術(shù)[19]，如圖5所示，也有研究者正在研制用于隱身的智能蒙皮材料。

圖2　具有0/1開關(guān)屬性的數(shù)字可編程超材料進(jìn)行智能電磁波調(diào)控[12](a)數(shù)字超平面0/1構(gòu)成；(b)結(jié)構(gòu)單元及其響應(yīng)；(c)，(d)利用兩種不同的結(jié)構(gòu)形式去調(diào)控光束散射Fig.2　The 1-bit digital metasurface and coding metasurface[12]　(a)consisting of two types of elements: ‘0’ and ‘1’; (b)a square metallic patch unit structure (inset) to realize the ‘0’ and ‘1’ elements and the corresponding phase responses in a range of frequencies;(c),(d) two 1-bit periodic coding metasurfaces to control the scattering of beams by designing the coding sequences of ‘0’ and ‘1’ elements

圖3　一些人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖[17]Fig.3　Various 3D photonic-metamaterial structures[17]

圖5　“無(wú)觸感”斗篷隱身技術(shù)理念，智能超材料將圓柱 體隱匿起來(lái)，使其無(wú)法被手指感覺到[19]Fig.5　Illustration of the elasto-mechanical cloak: a rigid hollow cylinder embedded in a homogeneous three-dimensional pentamode metamaterial environment, any object can be placed inside of the hollow interior and thereby becomes “unfeelable”[19]

與此同時(shí)，俄羅斯雷洛夫國(guó)家研究中心進(jìn)行工業(yè)化研制，開發(fā)了擁有定制化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和密度分布智能材料。這種設(shè)計(jì)可有效吸收和減弱聲波的反射信號(hào)，從而顯著提高潛艇的隱身能力。但這種智能超材料并不僅僅是為了使物體隱形，其目的是將物體的物理作用力隱藏起來(lái)，使物體無(wú)法被人感覺到。這種特別的智能超材料是一種在某些性質(zhì)上類似液體的固體晶格，能夠使外部施加的壓力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)可以轉(zhuǎn)移破壞性較大的地震波[20]。

智能機(jī)械超材料種類繁多，目前大部分在研究階段[21]。在力學(xué)上“可編程”的超材料，其實(shí)像是一塊多孔的橡膠板，經(jīng)過特殊孔型及拓?fù)湓O(shè)計(jì)，可以在縱向和橫向上進(jìn)行壓縮，表現(xiàn)出所謂“負(fù)剛度”或是剛度可調(diào)的性質(zhì)。因此，這種智能機(jī)械超材料可以有效地吸收能量，可用于減震的汽車保險(xiǎn)杠，或是根據(jù)不同地形調(diào)整舒適度的鞋子。還有其他反脹材料，如反彈陶瓷管制品，在被壓縮到50%之后還能反彈復(fù)原。這對(duì)于脆性氧化鋁陶瓷材料來(lái)說，將具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。

1.3智能熱學(xué)超材料

智能熱學(xué)超材料是近年來(lái)才提出的新型熱能利用和調(diào)控的智能材料。自然界中的傳統(tǒng)材料，其熱導(dǎo)系數(shù)在空間均勻分布，熱量從溫度高的一端直線流向溫度低的一端，這是人們所熟知的熱傳導(dǎo)模式。然而，如果能實(shí)現(xiàn)空間熱導(dǎo)系數(shù)的非均勻分布，通過對(duì)宏觀熱擴(kuò)散方程的空間變化，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流方向的調(diào)控作用。這種通過人工改造而實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非均勻分布的材料被稱為熱超材料[22，23]。智能熱學(xué)超材料是可感知外部熱源、主動(dòng)響應(yīng)的人工復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)，潛在應(yīng)用于微納米結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換。一般可分為兩大類：控制熱流和利用熱能；用聲子進(jìn)行信息傳輸和處理[24]。圖6為基于隱熱衣研制開發(fā)的熱偽裝器件。

圖6　智能熱學(xué)超材料[25]　(a)熱隱身器，中間藍(lán)色人形(或者實(shí)驗(yàn)室中采用的銅柱)可被隱身； (b)，(c)熱偽裝器 (1)概念示意圖；(2)物理實(shí)現(xiàn)圖；(3)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的瞬時(shí)溫度場(chǎng)簡(jiǎn)況Fig.6　Thermal metamaterials[25]　(a)thermal cloaking;(b),(c)thermal camouflage；(1) corresponds to conceptual scheme; (2)corresponds to physical realization;(3)experimental measurement of transient temperature profiles

1.4智能耦合超材料與隱身技術(shù)

現(xiàn)有隱身技術(shù)是通過減小作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)入射電磁波或聲波的散射截面進(jìn)行隱身，而超材料則不再是反射或吸收波，而是改變波的傳播路線，使波發(fā)生彎曲，以達(dá)到繞射傳播的目的從而實(shí)現(xiàn)隱身。因?yàn)闃O少有能量產(chǎn)生后向散射，超材料可以達(dá)到最佳的隱身效果。圖7為近年來(lái)才開始研制生產(chǎn)用于球形隱身的概念模型[6]。智能超材料的超表面配置基于可編程智能耦合超材料，可實(shí)現(xiàn)不同頻段，包括可見光的隱身[26]，如圖8所示。

圖7　基于轉(zhuǎn)換光學(xué)的球形隱身[6]　(a)二維截面視圖；(b)三維視圖Fig.7　Sphere cloaking based on transformation optics[6](a)2D cross section view;(b)3D view

1.5新型傳感型超材料與智能蒙皮

智能超材料的奇異性能很快在蒙皮技術(shù)領(lǐng)域得到拓展，在傳感器市場(chǎng)已開展相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備。如Toyota 和BMW 等著名汽車生產(chǎn)商已啟動(dòng)電磁超材料研發(fā)。根據(jù)Toyota 中心研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的報(bào)道，智能電磁超材料預(yù)期在車載雷達(dá)掃描系統(tǒng)、移動(dòng)通信天線、電動(dòng)馬達(dá)用新型磁性材料和電磁兼容(EMC)中使用的高性能吸收與屏蔽材料中獲得推廣[27]。Toyota 開發(fā)了新型的頻率不敏感左右手復(fù)合漏波掃描天線，其具有寬波束掃描、高增益和易生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。此外，LED 頭燈和紅外成像夜視系統(tǒng)也是超材料的應(yīng)用研究方向。圖9展示了超材料在汽車行業(yè)的潛在和實(shí)際應(yīng)用[28]。美國(guó)杜克大學(xué)的研究人員研制出了一種超材料圖像傳感器，無(wú)需鏡頭即可拍攝照片。通過在柔性基底上印制能夠捕捉不同頻率光線的超材料微結(jié)構(gòu)，再加上一些電路板和軟件，這部只有傳感器的相機(jī)就可以進(jìn)行拍攝。這一技術(shù)可取代傳統(tǒng)攝像機(jī)應(yīng)用在智能車輛蒙皮上。

在衛(wèi)星通信行業(yè)，美國(guó)Kymeta公司借助智能電磁耦合超材料，采取全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)電子掃描對(duì)準(zhǔn)。在近紅外頻段，智能熱學(xué)超材料正在被研究用于控制熱量定向輻射。美國(guó)Plasmonics公司與美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用超材料的非朗伯(non-Lambertian) 輻射特性來(lái)設(shè)計(jì)和制作具有方向性的輻射表面。這種超材料表面的一個(gè)潛在應(yīng)用是對(duì)衛(wèi)星的熱量控制。在能源領(lǐng)域，集成了超材料納米復(fù)合材料的薄膜技術(shù)可以收集更寬角度的入射光線并吸收其中的可用頻譜，顯著提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的效率。在航空航天方面，采用超材料技術(shù)的納米復(fù)合材料被用于調(diào)控寬角度入射的光線。在全球“工業(yè)4.0”進(jìn)程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的背景下，超材料智能結(jié)構(gòu)作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)及人工智能革命中的代表產(chǎn)品，具有巨大的發(fā)展空間和良好的市場(chǎng)前景。

1.6智能超材料制備與基因工程

與自然材料設(shè)計(jì)一樣，超材料也可以從基本結(jié)構(gòu)單元，即材料基因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，對(duì)材料的各種物理性質(zhì)進(jìn)行精確的計(jì)算和預(yù)測(cè)，揭示其材料的基本參數(shù)，或者說是材料基因組合，與宏觀物理性質(zhì)的相關(guān)規(guī)律[29]。但作為一種新興的交叉應(yīng)用科學(xué)，超材料的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)具有很大的任意性，物理過程的多樣性，不同尺度的特殊性，使得超材料的計(jì)算模擬、材料的制備、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)積累非常的龐雜[30]。多種幾何結(jié)構(gòu)形式的提出，但未能系統(tǒng)的比較和歸納，缺乏整體的協(xié)同創(chuàng)新和數(shù)據(jù)共享，這一發(fā)展模式，極大地限制了超材料向?qū)嶋H應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

圖8　智能耦合超材料的超表面隱身衣[26]　(a)以數(shù)千塊細(xì)小的具有負(fù)阻抗金屬片制成； (b)經(jīng)計(jì)算編程將這些“特異材料”片排列成可以“抓取”微波，并令其路徑變彎；(c)進(jìn)而控制光線Fig.8　Schematics of smart coupled metamaterials[26]　(a)an ultrathin metasurface formed by structured metal (top) combined with lumped negative impedance converters based on complementary metal-oxide semiconductor technology;(b)assembly of an active non-Foster metasurface;(c)a mantle cloak designed for a dielectric infinite cylinder under transverse-magnetic illumination

圖9　可在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的工業(yè)級(jí)超材料[28]Fig.9　Industrial metamaterials available in automobile application[28]

在智能超材料新型設(shè)計(jì)與仿真中，相當(dāng)數(shù)目的軟件用于超材料的設(shè)計(jì)和計(jì)算。但是每個(gè)軟件都有各自的局限性，只能用于某些特殊條件下的計(jì)算。同時(shí)，對(duì)于不同學(xué)科的超材料的研究，材料的制備、表征和測(cè)量等實(shí)驗(yàn)技術(shù)相差很大。針對(duì)以上超材料發(fā)展的狀況，很有必要將超材料納入材料基因組計(jì)劃，從而建成完整的超材料高通量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將為超材料的理論分析和計(jì)算提供實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)，并為超材料的應(yīng)用開發(fā)提供數(shù)據(jù)和資料。這將大大加快超材料從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究的轉(zhuǎn)化速度。

2　智能超材料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展

2.1國(guó)際智能超材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

在超材料基礎(chǔ)研究方面，隨著超材料研究的不斷深入，智能超材料越來(lái)越廣泛地涉及多種物理場(chǎng)的耦合效應(yīng)，如電磁、機(jī)電、光熱和光機(jī)耦合，實(shí)現(xiàn)超材料的智能響應(yīng)。不僅需要考量幾何結(jié)構(gòu)整體，也需要考慮加入了微結(jié)構(gòu)單元中非均勻體系，對(duì)機(jī)制的探究主要有美國(guó)杜克大學(xué)Smith團(tuán)隊(duì)[31]，新加坡南洋理工大學(xué)Singh團(tuán)隊(duì)[32]，德國(guó)斯圖加特大學(xué)Giessen團(tuán)隊(duì)[33]。對(duì)于新型人工原子與人工分子設(shè)計(jì)，需考量涉及理論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)論證的不同方面，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校張翔團(tuán)隊(duì)[34]，德國(guó)耶拿大學(xué)Lederer團(tuán)隊(duì)[35]，英國(guó)倫敦大學(xué)帝國(guó)理工學(xué)院Maier團(tuán)隊(duì)[36]，相繼提出了各種不同的諧振結(jié)構(gòu)形式，如金屬基、介質(zhì)、聲波和其他非諧振結(jié)構(gòu)。對(duì)于超材料與自然材料相融合的理念[30]，首先由我國(guó)清華大學(xué)周濟(jì)團(tuán)隊(duì)提出，隨后美國(guó)愛荷華州立大學(xué)Soukoulis團(tuán)隊(duì)[37]和德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Rockstuhl團(tuán)隊(duì)[38]，先后跟進(jìn)探索及設(shè)計(jì)新機(jī)制。從現(xiàn)有線性無(wú)源系統(tǒng)，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)[39]，英國(guó)南安普敦大學(xué)[40]等對(duì)電磁超材料進(jìn)行了可調(diào)性的探索。美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校Alu團(tuán)隊(duì)[26]和德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)Jakoby團(tuán)隊(duì)[41]對(duì)新型傳感型超材料進(jìn)行了探索，研究電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)及對(duì)周圍環(huán)境的介電性敏感等特性。綜合來(lái)看，這一領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方面，優(yōu)勢(shì)的國(guó)家有德國(guó)、美國(guó)、新加坡和英國(guó)，優(yōu)勢(shì)的機(jī)構(gòu)是德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院Wegener團(tuán)隊(duì)[17-19]，美國(guó)杜克大學(xué)Smith團(tuán)隊(duì)[1,6,31]，英國(guó)倫敦大學(xué)[36]。不過目前，智能超材料的研究多轉(zhuǎn)向海內(nèi)外的華人研究團(tuán)隊(duì)，例如我國(guó)清華大學(xué)[30]，南京大學(xué)[9,21]，香港科技大學(xué)[42], 復(fù)旦大學(xué)[43]等及美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校張翔[34]，美國(guó)東北大學(xué)的Liu[44]，佐治亞理工學(xué)院的Cai[45]，新加坡南洋理工大學(xué)[32]等科研團(tuán)隊(duì)。

在智能超材料的關(guān)鍵技術(shù)方面，涉及四大類微結(jié)構(gòu)單元類型，電磁、機(jī)械、熱學(xué)和耦合超材料，以及設(shè)計(jì)仿真和材料制備兩大方面的技術(shù)研發(fā)。智能電磁超材料，主要研究機(jī)構(gòu)來(lái)自美國(guó)、新加坡、俄羅斯和英國(guó)等國(guó)，如美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)[39]，英國(guó)的倫敦大學(xué)[36]。相比較，智能機(jī)械超材料起步較晚，在2012年由德國(guó)的Wegener團(tuán)隊(duì)[46]利用激光直寫技術(shù)制備,由點(diǎn)接觸的雙錐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。另外，美國(guó)華盛頓特區(qū)的國(guó)家研究中心Layman等[47]從理論上說明了當(dāng)體模量與彈性模量的比值從較小的100增大至1000時(shí)，將從本質(zhì)上導(dǎo)致彈性斗篷呈現(xiàn)完美的隱性性能。同樣的，俄羅斯雷洛夫國(guó)家研究中心進(jìn)行了擁有定制化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和密度分布等不同方向的研制開發(fā)。智能熱學(xué)超材料也是近些年才提出的，在2008年我國(guó)復(fù)旦大學(xué)黃吉平團(tuán)隊(duì)等[48]將光學(xué)隱身的理念推廣到熱學(xué)領(lǐng)域并提出熱學(xué)隱身衣的設(shè)計(jì)原理。在實(shí)驗(yàn)研究方面，哈佛大學(xué)的Sato團(tuán)隊(duì)[49]，德國(guó)卡爾斯魯爾工業(yè)大學(xué)Wegner團(tuán)隊(duì)[50]，新加坡國(guó)立大學(xué)李保文、仇成偉聯(lián)合團(tuán)隊(duì)[51，52]，新加坡南洋理工大學(xué)[53]先后獨(dú)自實(shí)現(xiàn)了熱屏蔽/熱隱身衣功能。在智能耦合超材料方面，有許多研究組正致力于通過亞波長(zhǎng)尺度人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)局域電磁場(chǎng)調(diào)控與位移矢量調(diào)控，如加州理工大學(xué)的Painter團(tuán)隊(duì)[54]、日本京都大學(xué)的Noda團(tuán)隊(duì)[55]和德國(guó)Ulm大學(xué)Unold團(tuán)隊(duì)[56]。在智能超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真和材料制備兩大方面關(guān)鍵技術(shù)，分別集中在美國(guó)亞利桑那大學(xué)[57]、法國(guó)巴黎第十一大學(xué)[58]、印度理工學(xué)院[59]，美國(guó)普渡大學(xué)[60]和德國(guó)斯圖加特大學(xué)[33]?？偟恼f來(lái)，智能超材料關(guān)鍵技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)來(lái)自美國(guó)、德國(guó)，俄羅斯和英國(guó)等歐美國(guó)家，除智能熱學(xué)超材料我國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先地位外，其他關(guān)鍵技術(shù)，尤其是智能機(jī)械超材料，由于領(lǐng)域內(nèi)材料制備技術(shù)的局限，德國(guó)、美國(guó)和俄羅斯處于領(lǐng)先地位。

在超材料產(chǎn)品的工業(yè)應(yīng)用方面，主要有Kymeta公司、分形天線系統(tǒng)公司、超材料技術(shù)公司、工業(yè)企業(yè)Haris公司、Kyocera無(wú)線公司、EMW等。大型航空航天和國(guó)防承包商包括洛克希德馬丁公司、波音公司、雷神公司和三星公司。美國(guó)杜克大學(xué)Smith 團(tuán)隊(duì)[1,6,31]在光電磁隱身和醫(yī)學(xué)完美成像，美國(guó)斯坦福大學(xué)Byer-Fejer團(tuán)隊(duì)[61]在精密儀器制程與片上實(shí)驗(yàn)室處于領(lǐng)先水平。

2.2國(guó)內(nèi)智能超材料發(fā)展現(xiàn)狀與水平

我國(guó)在智能超材料方向的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)兩方面與世界幾乎同步，有相當(dāng)好的研究基礎(chǔ)。較有影響的研究團(tuán)隊(duì)包括：南京大學(xué)閔乃本、祝世寧、陳延峰等[9,21]在光學(xué)超晶格、光學(xué)超材料及聲子晶體等方面的研究，集中在多種物理場(chǎng)的耦合機(jī)制、智能機(jī)械超材料、智能耦合超材料、智能超材料制備技術(shù)與材料基因工程等方面；香港科技大學(xué)的沈平、陳子亭等[62,63]對(duì)聲超材料的有效介質(zhì)理論等基礎(chǔ)性的研究，體現(xiàn)在新型人工原子與人工分子設(shè)計(jì)和智能超材料新型設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；中國(guó)科學(xué)院物理研究所張道中、程丙英、李志遠(yuǎn)、顧長(zhǎng)志等[64-66]進(jìn)行了光子晶體、等離子體基元超材料、左手材料等領(lǐng)域的研究，如新型傳感型超材料探索；清華大學(xué)周濟(jì)等[67,68]在介質(zhì)基及本征型超材料，尤其在超材料與自然材料的融合[30]，超材料可調(diào)性探索，電磁、耦合和設(shè)計(jì)仿真等關(guān)鍵技術(shù)方面都進(jìn)行了研究。東南大學(xué)崔鐵軍等[12,31]在微波超材料方面的研究，體現(xiàn)在新型人工原子與人工分子設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)編程。浙江大學(xué)孔金甌、何賽靈、陳紅勝等[69,70]對(duì)光學(xué)超材料進(jìn)行了研究。西北工業(yè)大學(xué)趙曉鵬等[71]對(duì)分型超材料進(jìn)行了研究。此外，西安交通大學(xué)徐卓、屈紹波[72]在智能光學(xué)超材料方面也做了相當(dāng)多的探索。

在工業(yè)應(yīng)用方面，我國(guó)深圳光啟高等理工研究院在國(guó)際上首開超材料工業(yè)化的先河，該研究院目前擁有國(guó)際超材料應(yīng)用方面70%以上的專利，在智能隱身材料、智能通信系統(tǒng)、超傳感等領(lǐng)域已經(jīng)有一些產(chǎn)業(yè)化成果[28]。在超材料標(biāo)準(zhǔn)方面，我國(guó)于2013年11月成立了由來(lái)自深圳光啟高等理工研究院、中航工業(yè)集團(tuán)公司、航天科工集團(tuán)、清華大學(xué)、中國(guó)鋼研科技集團(tuán)、工業(yè)和信息化部電信研究院、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、空軍裝備研究院、公安部第一研究所等單位的專家和學(xué)者組成超材料標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，目前已在國(guó)際上首次推出了超材料定義和規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)化文件。

總的來(lái)說，我國(guó)在智能超材料方面的基礎(chǔ)研究處于國(guó)際先進(jìn)水平。研究機(jī)構(gòu)正積極開拓超材料研究領(lǐng)域，以南京大學(xué)、清華大學(xué)、東南大學(xué)、西北大學(xué)、浙江大學(xué)等為代表，在國(guó)際上已形成了有一定影響力的研究隊(duì)伍，相關(guān)課題組也做了許多重要的開創(chuàng)性工作，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛重視。不過，除智能電磁、耦合超材料外，其他方面均處于起步階段，還有很多基本問題需要研究。以智能超材料制備的核心技術(shù)為例，科研基礎(chǔ)依然薄弱，我國(guó)應(yīng)加大相關(guān)材料的基礎(chǔ)研究以及研發(fā)升級(jí)等領(lǐng)域的投入，并制定相關(guān)的政策，從而使我國(guó)的智能超材料研發(fā)方面在弱勢(shì)領(lǐng)域中趕超，在強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)域中保持優(yōu)勢(shì)。此外，科研成果的產(chǎn)業(yè)化水平仍然不高，亟待提高轉(zhuǎn)化效率，縮短科研成果從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的時(shí)間。為此，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的高校及科研院所與相關(guān)產(chǎn)業(yè)企業(yè)的合作，積極鼓勵(lì)科研創(chuàng)新，促使我國(guó)企業(yè)擁有更多的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，從而在相關(guān)領(lǐng)域形成國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文簡(jiǎn)要地就智能超材料進(jìn)行了系統(tǒng)性的分類，并扼要地予以論述?；诨A(chǔ)研究、技術(shù)發(fā)展和新產(chǎn)品研發(fā)等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，進(jìn)行了科學(xué)性的評(píng)述。但值得指出的是，智能超材料種類繁多蕪雜，未盡之處，在所難免。本文盡最大努力列出智能超材料可能的發(fā)展方向，以期為有志深入此領(lǐng)域者，拋磚引玉。

(1)智能光學(xué)超材料，在于調(diào)控包括太赫茲在內(nèi)的不同頻段電磁波，在未來(lái)發(fā)展中，可能將更傾向于數(shù)學(xué)化可編輯控制領(lǐng)域或傳感器復(fù)合型超材料。之前成熟的超材料技術(shù)將有望在實(shí)際生產(chǎn)生活及工業(yè)化進(jìn)程中得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

(2)智能機(jī)械超材料，是基于多孔，折紙，五模式等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控彈性波的一類新興超材料，許多基礎(chǔ)研究性的工作尚待開展，尤其是如何將凝聚態(tài)物理晶體學(xué)領(lǐng)域的傳統(tǒng)理論，轉(zhuǎn)化為人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與表征。這些可能是智能機(jī)械超材料研究必須考慮的問題。

(3)智能熱學(xué)超材料，是如何用人工微結(jié)構(gòu)來(lái)控制熱流和利用熱能。這一超材料要么與納米尺度聲子晶體結(jié)合，要么與其他物理場(chǎng)耦合，方能真正展示智能熱學(xué)超材料本身的獨(dú)創(chuàng)新穎性。

(4)新型的人工原子及微結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)將在未來(lái)超材料設(shè)計(jì)中占有相當(dāng)?shù)谋戎兀绕涫悄壳癉NA編碼技術(shù)和MOF研究的開展，更加有利于地促進(jìn)人工原子系統(tǒng)理性的設(shè)計(jì)。

(5)材料制備和仿真技術(shù)的基因工程方面，必須清醒地認(rèn)識(shí)到模擬仿真與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的有效互補(bǔ)融合。必須承認(rèn)數(shù)值模擬是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界諸多因素的簡(jiǎn)化分析，如在機(jī)械超材料中的方形折紙技術(shù)，數(shù)值仿真已證明沒有實(shí)現(xiàn)的可能，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，選擇更加柔性的材料，利用最簡(jiǎn)單的操作也完全可以制作出來(lái)。因此，在超材料設(shè)計(jì)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)之間，人所發(fā)揮的是不可替代的作用。如何整合現(xiàn)有的模擬和材料制備系統(tǒng)，建立專家式系統(tǒng)化的基因工程，也是超材料設(shè)計(jì)中必須要應(yīng)對(duì)的迫切問題。

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Research Advance in Smart Metamaterials

YU Xiang-long, ZHOU Ji

(State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing,School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Metamaterials, man-made materials, enable us to design our own “atoms”, and thereby to create materials with unprecedented effective properties that have not yet been found in nature. Smart metamaterial is one of those that is an intelligent perceptive to the changes from external environments and simultaneously having the capability to respond to thermal and mechanical stimuli. This paper can provide a review on these smart metamaterials in perspective of science, engineering and industrial products. We divide smart metamaterials according to what they are tuning into: optical, mechanical, thermal and coupled smart metamaterials. The rest of two techniques we addressed are modelling/simulation and fabrication/gene engineering. All of these types smart materials presented here are associated with at least five fundamental research: coupled mechanism of multi-physics fields, man-made design for atom/molecular, metamaterials coupled with natural materials, tunability of metamaterials, and mechanism of sensing metamaterials. Therefore, we give a systematic overview of various potential smart metamaterials together with the upcoming challenges in the intriguing and promising research field.

metamaterial; optical metamaterial; mechanical metamaterial; thermal metamaterial; smart coupled metamaterial

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.020

TB34；TB381

A

1001-4381(2016)07-0119-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51532004, 11274198)；博士后項(xiàng)目基金(2015M580094)

2016-04-09；

2016-05-17

周濟(jì)(1962-)，男，教授，研究方向?yàn)槌牧希畔⒐δ懿牧吓c元件，聯(lián)系地址：北京市海淀區(qū)成府路清華大學(xué)材料學(xué)院(100084)，E-mail:zhouji@tsinghua.edu.cn