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数字超材料:超乎你的想象

来源:解放军报2020-05-22 08:53

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  ●它突破自然规律限制,物理特性超常 ●它基于数字编码,结构新奇,设计灵活 ●它在隐身、战场感知等方面应用前景广阔

  国防科技大学文理学院教授杨俊波为您讲述——

  数字超材料:超乎你的想象

  本报记者 王握文 通讯员 毛元昊 朱晰然

  在科幻电影中,那些具有超强本领的人被称为“超人”;在现实生活中,那些具有超强计算和处理能力的计算机被称为“超算”……

  在五花八门的材料世界里,也有一种物理性质“超常”的特殊材料,叫做“超材料”。这种材料在自然界并不存在,是本世纪才出现的一种具有特殊性质的人造材料。它通过对某种材料的再加工,并在其表面或内部设计出特殊几何结构或排列方式,使其拥有天然材料所不具备的特殊性质。天然材料的性质是由其成分来决定的,超材料的“超常”性质则源自其后天的结构。

  随着科技的进步,在超材料基础上还发展出数字超材料,或者叫数码编程设计的超材料。这是一种通过特定设计、打破传统规则结构、拥有奇异光学及声学特性的超材料。有了它,科幻乃至魔幻电影中的“隐身斗篷”“超级透镜”等奇思妙想也将加速变为现实,人们的生活将会因此而发生重大的改变。

  “反常”疑问,催生新奇材料

  原本自然界中不存在的超材料,是如何“无中生有”孕育出来的呢?

  1968年,苏联理论物理学家菲斯拉格发现,光束由空气中斜射进入水中,入射光与折射光位居法线两侧。于是,他突发奇想:是否还有另一种介质,与上述现象相反,能让入射光与折射光位居法线同侧呢?

  菲斯拉格的这个“反常”疑问,并非异想天开。从理论上讲,人们只需找到一种同时具有负介电常数和负磁导率材料,就能出现这一“反常”物理现象。只是当时没有开展实验验证,加之功能材料尚处于发展初期,菲斯拉格的这个大胆的科学猜想并未引起重视。

  幸运的是,随着人们对电磁理论的深入理解和微纳加工工艺的快速发展,一种在微纳尺度上拥有周期结构的人造器件诞生了。它不仅在实验上实现了负介电常数、负磁导率等一切理论预言,更是让人们深刻地理解到:通过在多种物理结构上的设计,人们可以突破自然规律的限制,获得超常功能的“新物质”,即具有奇异功能的超材料。

  超材料是材料设计思想上的一个跨越式重大创新,被誉为本世纪前10年的10项重要科学进展之一,已成为发掘材料新功能、引领产业新方向、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。

  创新永无止境。超材料方兴未艾,数字超材料又应运而生。2014年,我国东南大学研究团队首先提出了数码、电磁可编程的数字超材料概念。与拥有周期排布结构的超材料不同,它由若干个单元按照编码的方式排布,就好比给材料注入了活的“基因”,可由人们进行调控。而这些新型材料将会忠实地听从“指示”,实现所需的各种奇异功能。

  超级“另类”,性能独树一帜

  数字超材料的出现,实际上是现代信息工业与前沿物理领域相互结合的产物,它将“编码思维”融入了新型超材料的设计过程。在数字超材料中,不同的编码会带来不同的电磁响应,加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念,数字超材料自然成了材料领域的超级“另类”,拥有了与众不同、独树一帜的性质和功能:

  ——结构新奇,颠覆认知。数字超材料结构超级“另类”,它既不同于天然材料依靠原子或分子结构来实现功能,又不同于传统超材料拥有规则的人工单元结构,而是完全采用数字编码的方式,凭借微纳加工技术注入的“材料基因”而拥有超常物理性质和“超能力”,其全新、奇异的结构完全颠覆了人们对物质构成的认知。目前,科学家们已经研制出具备自我修复能力的仿生塑料、将热电转化为可用电力的热电材料等“黑科技”产品。

  ——逆向设计,按需定制。数字超材料采用数字编码的方式设计,拥有十分广阔的设计自由度,可根据不同应用需求来实现“按需定制”。而基于“数字”的可编码特性,又能突破传统材料“正向求解”的设计方法,即根据各种约束条件,“从后向前”进行“逆向设计”,从而可有效解决传统设计中存在的限制和缺点。

  ——数字编码,实时可控。与传统的超材料相比,数字超材料的每个人工单元,可简化为“0”和“1”两种状态,通过调节“0”“1”两种单元的排列和组合,构建不同性质的组合单元,进而组装成整个材料,实现特定的功能。用“数字化”方式表征超材料物理特性,极大简化了超材料的设计流程,提高了材料设计的灵活度,扩大了对材料性质的调控范围。若将可编程门阵列控制系统加载在结构单元上,还可实现对数字超材料物理功能的实时控制。

  军事应用,助推转型升级

  超材料特别是数字超材料技术,是国际上重点关注的战略前沿技术,它为新一代信息技术、国防工业、新能源技术等领域带来了深刻变革。主要发达国家将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,纷纷开展研发与应用。

  随着高性能计算和微纳加工工艺的快速发展,数字超材料所展现的超常物理特性将带动航空航天、新型装备制造、人工智能等众多领域的突破性发展,应用范围将拓展到国民经济和国防建设各个方面。

  在军事领域,数字超材料也显示出了广阔的应用前景:

  ——超材料天线可实现对电磁波调整接收和自动校准功能,拓展天线工作带宽、降低能耗,有效增强天线的聚焦性和方向性,从而提高移动通信容量和高速通信能力,提升军队信息化作战水平。

  ——利用数字电磁超材料对电磁波的实时调控能力,能实现战机、舰艇等武器装备的全天候、多气候条件下的电磁隐身、热隐身、光隐身和声隐身,增强其生存、突防能力。

  ——运用数字超材料制作的传感器,具有探测灵敏度高、战场适应性强、柔软性好等优势,将其用于下一代智能探测装置,可使武器装备拥有感应更加灵敏的“器官”和“皮肤”,优化并升级作战性能。

  此外,数字超材料还在智能穿戴、侦察、高性能全光计算等领域也展现出广阔的应用前景,可为促进武器装备和部队训练的转型升级提供技术支撑。

  上图为基于数字超材料的波长分束器示意图。

[ 责编:孔繁鑫 ]
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